El efecto invernadero

En la ausencia de una atmósfera, la temperatura superficial sería aproximadamente -18 °C. Esta es conocida como la temperatura efectiva de radiación terrestre. De hecho la temperatura superficial terrestre, es de aproximadamente 15°C. La razón de esta discrepancia de temperatura, es que la atmósfera es casi transparente a la radiación de onda corta, pero absorbe la mayor parte de la radiación de onda larga emitida por la superficie terrestre.

Varios componentes atmosféricos, tales como el vapor de agua, el dióxido de carbono, tienen frecuencias moleculares vibratorias en el rango espectral de la radiación emitida por la Tierra. Estos gases de efecto invernadero absorben y reemiten la radiación en onda larga, devolviéndola a la superficie terrestre, causando el aumento de temperatura, fenómeno denominado Efecto Invernadero. El vidrio de un invernadero similar a la atmósfera es transparente a la luz solar y opaca a la radiación terrestre, pero confina el aire a su interior, evitando que se pueda escapar el aire caliente (McIlveen, 1986; Anderson et al, 1987). Por lo tanto, el proceso que hace que un invernadero se caliente es diferente y el nombre engaña. El interior de un invernadero se mantiene tibio porque el vidrio inhibe la pérdida de calor por convección hacia el aire exterior, en resumen, no deja salir el aire caliente. En cambio el fenómeno atmosférico se basa en un proceso distinto al de un invernadero donde un gas absorbe el calor por su estructura molecular. En todo caso el término se ha popularizado tanto, que ya no hay forma de establecer un nombre más preciso. En todo caso, el efecto invernadero es el motivo del calentamiento global y el cambio climático, es el aumento de los gases invernadero lo que aumenta la absorción de calor y a su vez genera los cambios. El aumento de los gases es resultado del uso y abuso de los recursos naturales, sea a través de quema ineficiente de combustibles fósiles, a través de la tala y destrucción de los bosques y ambientes naturales o la destrucción de ecosistemas marinos y acuáticos a través de la contaminación irracional e irresponsable. Se postula que en Venus, el vulcanismo elevó las temperaturas hasta el punto que no se pudieron formar los océanos, y el vapor resultante produjo un Efecto Invernadero, exacerbado más aún por la liberación de dióxido de carbono en rocas carbonatadas (una retroalimentación positiva sin fin – runaway feedback loop), terminando en temperaturas superficiales de más de 400°C (Anderson et al, 1987). Es un buen ejemplo (aunque un poco extremo) de lo que pasa cuando se llena una atmósfera de gases de efecto invernadero y es lo que debemos evitar a toda costa.

La radiación solar: usos y aplicaciones

Radiación solar es el conjunto de radiaciones electromagnéticas emitidas por el Sol. La magnitud que mide la radiación solar que llega a la Tierra es la irradiancia, que mide la energía que, por unidad de tiempo y área, alcanza a la Tierra. Su unidad es el W/m² (vatio por metro cuadrado). Entre las múltiples aplicaciones de la energía solar se encuentran su aprovechamiento como luz directa, como fuente de calor y en la generación de electricidad principalmente, a continuación se amplia cada uno de estos usos.

Considerando la capacidad energética del sol, resulta fundamental la adopción de políticas públicas que fomenten el aprovechamiento sustentable de la energía solar en nuestro país.

Aplicaciones de la energía solar

Entre las múltiples aplicaciones de la energía solar se encuentran su aprovechamiento como luz directa, como fuente de calor y en la generación de electricidad principalmente, a continuación se amplia cada uno de estos usos:

Directa: Una de las aplicaciones de la energía solar es directamente como luz solar, por ejemplo, para la iluminación. Otra aplicación directa, muy común, es el secado de ropa y algunos productos en procesos de producción con tecnología simple.

Térmica: La energía solar puede utilizarse para el calentamiento de algún sistema que posteriormente permitirá la climatización de viviendas, calefacción, refrigeración, secado, entre otros, son aplicaciones térmicas. Actualmente existen diversas Centrales Solares Térmicas generando energía en el mundo, cuya base de funcionamiento es el uso indirecto de la energía solar.

Central Gemasolar en Sevilla

Fotovoltaica: Es la energía solar aprovechada por medio de celdas fotoeléctricas (celda solar, auto solar), capaces de convertir la luz en un potencial eléctrico, sin necesariamente pasar por un efecto térmico. Para lograr esto la energía solar se recoge de una forma adecuada. El calor se logra mediante los colectores térmicos, y la electricidad, a través de los llamados módulos fotovoltaicos. Los sistemas de aprovechamiento térmico permiten que el calor recogido en los colectores pueda destinarse y satisfacer numerosas necesidades.

Hornos solares: Los hornos solares son una aplicación importante de los concentradores de alta temperatura. El mayor, situado en Odeillo (foto), en la parte francesa de los Pirineos, tiene 9.600 reflectores con una superficie total de unos 1.900 m2 para producir temperaturas de hasta 4.000 °C. Estos hornos son ideales para investigaciones, por ejemplo, en la investigación de materiales, que requieren temperaturas altas en entornos libres de contaminantes.

Enfriamiento solar: Se puede producir frío con el uso de energía solar como fuente de calor en un ciclo de enfriamiento por absorción. Uno de los componentes de los sistemas estándar de enfriamiento por absorción, llamado generador, necesita una fuente de calor. En general, se requieren temperaturas superiores a 150 °C para que los dispositivos de absorción trabajen con eficacia, los colectores de concentración son más apropiados que los de placa plana.

La energía del Sol y su influencia sobre la Tierra

El Sol es la principal fuente de energía para todos los procesos que tienen lugar en la Tierra. Cualquier variación que experimente el astro puede ocasionar, por tanto, cambios en nuestro planeta. Tres son los canales a través de los cuales puede producirse esta relación: la radiación visible, la radiación ultravioleta y el flujo de partículas.

Desde que se originó la vida hace unos 3.800 millones de años, nuestro planeta ha sufrido diferentes crisis, climáticas y biológicas, de las que siempre se ha recuperado. Ello ha sido posible, en gran manera, gracias a que la Tierra dispone de una serie de barreras de protección contra las variaciones que experimenta nuestra estrella. A la descripción de estas barreras dedicaremos este artículo.

Los gases invernadero

La temperatura de la Tierra ha permanecido siempre dentro de unos márgenes que han permitido la existencia de agua líquida en su superficie. Este factor ha sido esencial para que la vida se haya mantenido y evolucionado. Ahora bien, hace 3.800 millones de años la cantidad de energía que emitía el Sol era un 30% menor que la actual. Cálculos sencillos nos dicen que, con tales niveles, la Tierra se habría congelado completamente y difícilmente hubiera salido de tal estado. Sin embargo, las evidencias indican que tal situación no se dio, precisamente gracias a la primera barrera de protección: los gases invernadero de nuestra atmósfera. Entre ellos podemos citar el vapor de agua, el metano, el ozono y el dióxido de carbono (CO2), que vamos a tomar como ejemplo.

Dada la temperatura de su superficie (unos 5.500 ºC), el Sol emite la mayor parte de su radiación en el visible, intervalo espectral al cual se han adaptado los ojos de la mayoría de los seres vivos. Una parte de esta radiación, aproximadamente un tercio, es reflejada por la superficie y la atmósfera terrestres. El resto calienta el planeta, que a su vez emitirá también radiación, pero, dada su temperatura, ésta se encontrará en la zona del infrarrojo. El CO2 de la atmósfera tiene la propiedad de dejar pasar la radiación solar, mientras que absorbe la infrarroja que procede de la superficie terrestre. Este proceso de absorción contribuye así al aumento de la temperatura del planeta, bastantes grados más de lo que le correspondería por su distancia al Sol. Este mecanismo se conoce con el nombre de "efecto invernadero" y ha constituido un factor esencial para el equilibrio del clima en la Tierra.

Desde aquellos primeros tiempos, la luminosidad solar ha ido aumentando, mientras que, en la Tierra, la atmósfera ha pasado de ser una en que predominaba el CO2 a la actual, donde el oxígeno juega el papel decisivo para seres vivos, como plantas y animales. Sin embargo, la cantidad de los gases invernadero en la atmósfera sigue siendo fundamental para que la temperatura del planeta haga posible la existencia de agua líquida y, por lo tanto, de vida.

En la actualidad, el Hombre está inyectando cantidades de CO2 a la atmósfera como consecuencia de la quema de combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural). Esto sucede a una escala temporal tan rápida que los sumideros naturales (los océanos y la biosfera) no pueden absorber el gas al mismo ritmo. La consecuencia es un calentamiento global del planeta y otras perturbaciones en el clima que se intensificarán a lo largo de este siglo. Estamos utilizando en nuestra contra una barrera de protección climática de primer orden, y las consecuencias van a afectar sobre todo a nuestra civilización, especialmente a los sectores menos desarrollados económicamente.

La capa de ozono

El Sol emite también radiación ultravioleta que tiene efectos dañinos sobre los seres vivos. Durante miles de millones de años, estos seres se mantuvieron a nivel bacteriano en los océanos terrestres, donde podían encontrar una protección contra la acción de estos rayos solares. Fue la acción de alguno de estos microorganismos, las cianobacterias, la que originó el aumento de los niveles de oxígeno, al tiempo que iban disminuyendo los de CO2.

Una de las consecuencias de la acumulación de oxígeno en la atmósfera terrestre fue la aparición progresiva de la capa de ozono. Las moléculas de este gas consisten en tres átomos de oxígeno (O3), en vez de los dos (O2) del oxígeno normal. Pues bien, el ozono tiene la importante propiedad de absorber la parte más dañina de la radiación ultravioleta. Su acción iba a posibilitar que los seres vivos pudieran ocupar la superficie sólida del planeta y que se produjese la rápida evolución biológica que iba a llevar hasta el ser humano.

En nuestra época, la cantidad de dicha radiación que nos llega del Sol muestra claras diferencias entre el máximo y el mínimo del ciclo de actividad de nuestra estrella, que tiene un período de 11 años. Ahora bien, la radiación ultravioleta solar mantiene un estrecho balance con el contenido de ozono en la atmósfera, ya que interviene tanto en sus procesos de formación como de destrucción y el balance neto de su influencia no está del todo claro. Su acción más clara se encuentra en cambios en la circulación del aire en grandes alturas, que llevarían asociadas variaciones en el clima.

Por desgracia, la civilización ha empezado a deteriorar esta importante barrera mediante la emisión de ciertos productos químicos que la destruyen, como son los cloroflurocarbonos. En las zonas en que esta capa se ha debilitado, las situadas a latitudes altas especialmente en el Sur, la radiación ultravioleta puede penetrar más fácilmente, causando innumerables daños en los seres vivos. Entre los efectos que provoca en los seres humanos destaca el aumento del número de casos de cataratas en los ojos y de cáncer de piel.

El campo magnético terrestre

Además de radiación, el Sol emite también un flujo continuo de partículas que se conoce con el nombre de viento solar. De vez en cuando, su tranquilo fluir se ve interrumpido por una explosión en la atmósfera solar, conocida como una emisión coronal de masa, en la que en unos pocos segundos se lanzan al espacio más de mil millones de toneladas de partículas con velocidades de hasta 1.500 kilómetros por segundo, en el caso de los fenómenos más energéticos. El número de tales procesos y su intensidad varían según el ciclo de 11 años de la actividad solar. En el mínimo observaremos uno por semana, mientras que en un máximo, como en el que nos encontramos en el año 2001, podemos tener hasta tres al día en las fases más activas.

Su impacto directo sobre la superficie terrestre provocaría también indudables daños a los seres vivos. Afortunadamente disponemos de una tercera barrera de protección: el campo magnético terrestre.

La Tierra tiene uno de los campos magnéticos más fuertes del Sistema Solar. Su intensidad depende del período de rotación del planeta, 24 horas, y del espesor de una capa de metales en estado líquido que circunda el núcleo de la Tierra. Pues bien, las partículas solares tienen dificultades para moverse en direcciones perpendiculares a las líneas de fuerza, aunque comprimen el campo magnético como si fuera de gelatina. Aproximadamente un 1 % de esas partículas logran penetrar en nuestra atmósfera a través de las regiones polares, donde la resistencia de esta tercera barrera es menor. Las partículas solares se encuentran allí con los átomos de nuestra atmósfera y de su interacción resultan las espectaculares auroras. Sin embargo, al ir aumentando la densidad de la atmósfera las partículas van perdiendo energía con lo que los efectos en la superficie terrestre quedarán muy debilitados.

Las partículas procedentes de las tormentas solares están cargadas eléctricamente y se encuentran en movimiento, es decir, dan lugar a campos magnéticos que interactúan con el de nuestro planeta y, muy especialmente, con toda una serie de instrumentos que nuestra civilización posee en el espacio cercano a la Tierra, al alcance de la acción de dichas partículas. Nuestra civilización dispone ya de numerosos satélites que se encuentran en alturas que sí sufren las consecuencias de estas tormentas solares. Las corrientes eléctricas inducidas por la lluvia de partículas solares producen graves perturbaciones en las comunicaciones y en los sistemas de navegación, junto con problemas en los centros de distribución de energía eléctrica y los grandes oleoductos. Sus consecuencias económicas son importantes.

Por el momento el Hombre no tiene capacidad de perturbar esta barrera, que en cambio sí sufre variaciones seculares en su intensidad, llegando a anularse en algunas épocas. Por suerte, todavía estamos lejos de que tal proceso se produzca.

Sobre nuestro planeta inciden partículas con energías todavía mayores que las solares, procedentes de regiones exteriores al Sistema Solar, como pueden ser explosiones de supernovas o agujeros negros. Son lo que se conoce con el nombre de rayos cósmicos. Afortunadamente tenemos una nueva barrera contra ellas. El campo magnético solar se extiende hasta los confines del Sistema Solar, la llamada "helioesfera" que, al igual que el campo magnético terrestre con respecto al solar, amortigua la influencia de estos rayos cósmicos.

No es extraño que gracias a estas barreras la vida haya sobrevivido durante un período prolongado de tiempo en nuestro planeta. Se han necesitado varios miles de años para que se desarrollaran formas de vida complejas, hace unos seiscientos millones de años. Ahora, una de las últimas especies en aparecer sobre el planeta, el Homo Sapiens, empieza a poner en riesgo el funcionamiento correcto de alguna de esas barreras. Esperamos que las mejores características de su inteligencia le permitan tomar conciencia del problema y adoptar medidas antes de que sea demasiado tarde, especialmente para ella misma.

Tenemos un Sol que es la estrella más importante del Universo para nosotros ya que, aunque sea una estrella de lo más corriente, es la que tenemos más cercana y por lo tanto la única que nos puede influir directamente en multitud de aspectos. En cambio, de lo que cada vez nos quedan menos dudas es de que vivimos en un planeta excepcional, quizás único en el Universo: la Tierra. Procuremos cuidarla.

Las barreras de la tierra contra la influencia solar

Manuel Vázquez Abeledo

Instituto de Astrofísica de Canarias

Especial Sol-Tierra

27 de abril de 2001, día Internacional de la conexión Sol-Tierra:

http://www.iac.es/gabinete/difus/ciencia/soltierra/artsoltierra.htm

Temperatura y radiación

Todos los átomos tienen cargas eléctricas y están en agitación constante. Por esta razón los átomos de los cuerpos emiten radiación electromagnética.

En los materiales calientes, los átomos se agitan en diferentes direcciones y chocan entre sí, sus electrones se alejan o se acercan a los núcleos atómicos de maneras muy variadas. En estos procesos, un poco de energía electromagnética escapa al espacio con una frecuencia que depende del tipo de proceso en el que se origina. Un mismo cuerpo puede emitir ondas electromagnéticas de distintas frecuencias, conjunto que se llama espectro de emisión.

El espectro de emisión en cada cuerpo varía con la temperatura. Cuando un material recibe calor y su temperatura aumenta, comienza a emitir ondas en frecuencias del infrarrojo cercano, perceptibles por nuestra piel. Si la temperatura supera los 700ºC, el cuerpo comenzará a brillar porque emite ondas de frecuencias visibles. Si la temperatura siguiera en aumento, la luz emitida por el cuerpo pasaría del color rojo al anaranjado y, luego, al amarillo. Si la temperatura de un cuerpo aumenta todavía más, emitirá luz de todas las frecuencias visibles, y como resultado brillará con luz blanca.

Si la temperatura sigue aumentando, empieza a emitir radiaciones de mayor frecuencia que las visibles, como la radiación ultravioleta. Y si está lo suficientemente caliente; de manera que ya no hay ni siquiera moléculas, porque se han roto, ni tampoco átomos, porque las cargas eléctricas se han separado; emite rayos X.

En 1964, los astrónomos Arno Penzias y Robert Wilson comenzaron a usar una gran antena para medir las ondas de radio emitidas por distintas zonas de la Vía Láctea. Para su sorpresa, descubrieron que, cualquiera fuera la dirección en que orientaban la antena, detectaban un ruido de fondo de microondas de unos 7,35 cm de longitud de onda, correspondiente a la que emite un cuerpo a una temperatura de unos – 270 ºC. Esta radiación eran los restos de la que había producido en el origen del Universo, y que hoy todavía, mucho más enfriada, lo recorre en todas direcciones.

Explicación de la radiación de un cuerpo negro:

A medida que se iba develando la compleja estructura del átomo, los investigadores veían que estaba más cerca la explicación de los procesos por los cuales la materia emitía o absorbía radiación. Sin embargo, al intentar explicar la radiación térmica emitida por un cuerpo caliente, los físicos se encontraron con un problema que se resistía a encuadrarse dentro de los conocimientos de la Física clásica (la Mecánica de Newton y el electromagnetismo de Maxwell). Fue el comienzo del fin de una forma de ver el mundo.

En las cercanías de un objeto muy caliente, como una estufa o un leño encendido nuestra piel percibe el calor que nos llega en forma de ondas infrarrojas. Pero no sólo los cuerpos muy calientes emiten ondas electromagnéticas: en realidad, todo cuerpo cuya temperatura sea superior al cero absoluto lo hace. Para las temperaturas que percibimos cotidianamente, la mayor parte de la energía se emite en el rango infrarrojo y un poco en el visible. En general, un cuerpo sólido emite todo un espectro de ondas.

Tengamos en cuenta que lo que se quiere investigar es la radiación que emite un cuerpo y no la que refleja al ser iluminado.

El espectro de dos cuerpos cualesquiera, a la misma temperatura, difiere dependiendo del material y de la forma que tengan. Para estudiar el problema de la radiación se eligió un cuerpo patrón ideal, que emitía y absorbía energía con eficiencia máxima, llamado cuerpo negro.

Consistía en una cavidad con un pequeño orificio por donde salía la radiación a analizar, cuando las paredes se calentaban hasta una temperatura determinada. Independientemente del material con que estén fabricados, los espectros de los cuerpos negros a la misma temperatura son idénticos.

Experimentalmente se habían hallado los espectros de emisión de cuerpos negros a diversas temperaturas. Y se observaron dos características importantes:

E aumenta proporcionalmente con  T4

1. A medida que la temperatura aumenta, la cantidad de energía emitida es mayor. En particular, la energía aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta (ley de Stefan-Boltzmann):

2. Un cuerpo emite mayor cantidad de energía en una longitud de onda determinada. A medida que la temperatura aumenta esta longitud de onda se hace más pequeña, cumpliéndose la ley de Wien:

µmáxima T = constante

Ley de Wein: Energía radiante por un objeto caliente a distintas longitudes de onda

¿Qué es el Espectro Electromagnético?

Se denomina espectro electromagnético a la distribución energética del conjunto de las ondas electromagnéticas. Referido a un objeto se denomina espectro electromagnético o simplemente espectro a la radiación electromagnética que emite (espectro de emisión) o absorbe (espectro de absorción) una sustancia. Dicha radiación sirve para identificar la sustancia de manera análoga a una huella dactilar. Los espectros se pueden contemplar mediante espectroscopios que, además de permitir observar el espectro, permiten realizar medidas sobre el mismo, como son la longitud de onda, la frecuencia y la intensidad de la radiación. La longitud de una onda es el período espacial de la misma, es decir, la distancia que hay de pulso a pulso.

Frecuencia es una magnitud que mide el número de repeticiones por unidad de tiempo de cualquier fenómeno o suceso periódico.

El espectro electromagnético se extiende desde la radiación de menor longitud de onda, como los rayos gamma y los rayos X, pasando por la luz ultravioleta, la luz visible y los rayos infrarrojos, hasta las ondas electromagnéticas de mayor longitud de onda, como son las ondas de radio. Se cree que el límite para la longitud de onda más pequeña posible es la longitud de Planck mientras que el límite máximo sería el tamaño del Universo aunque formalmente el espectro electromagnético es infinito y continuo.

Para su estudio, el espectro electromagnético se divide en segmentos o bandas, aunque esta división es inexacta.

Se puede obtener mucha información acerca de las propiedades físicas de un objeto a través del estudio de su espectro electromagnético, ya sea por la luz emitida (radiación de cuerpo negro) o absorbida por él. Esto es la espectroscopia y se usa ampliamente en astrofísica y química. Para ello se analizan los espectros de emisión y absorción.

• El espectro de emisión atómica de un elemento es un conjunto de frecuencias de las ondas electromagnéticas emitidas por átomos de ese elemento, en estado gaseoso, cuando se le comunica energía. El espectro de emisión de cada elemento es único y puede ser usado para determinar si ese elemento es parte de un compuesto desconocido.
• El espectro de absorción de un material muestra la fracción de la radiación electromagnética incidente que un material absorbe dentro de un rango de frecuencias. Es, en cierto sentido, el opuesto de un espectro de emisión. Cada elemento químico posee líneas de absorción en algunas longitudes de onda, hecho que está asociado a las diferencias de energía de sus distintos orbitales atómicos. De hecho, se emplea el espectro de absorción para identificar los elementos componentes de algunas muestras, como líquidos y gases; más allá, se puede emplear para determinar la estructura de compuestos orgánicos. Un ejemplo de las implicaciones de un espectro de absorción es que aquel objeto que lo haga con los colores azul, verde y amarillo aparecerá de color rojo cuando incida sobre él luz blanca.

En la imagen de arriba podemos ver un ejemplo de aplicación del estudio de los espectros. Cuando la luz indice sobre una nube de gas, su posterior estudio, revela los componentes de los que está formada, ya que sólo pasarán aquellas longitudes de onda que no hayan sido absorbidas por la nube. Cada elemento tiene su propia firma espectral.

Espectro de emisión y de absorción de los diferentes elementos de la tabla periódica:

http://herramientas.educa.madrid.org/tabla/espectros/spespectro.html

Clasificación de las ondas

En función del medio en el que se propagan

Ondas mecánicas: las ondas mecánicas necesitan un medio elástico (sólido, líquido o gaseoso) para propagarse. Las partículas del medio oscilan alrededor de un punto fijo, por lo que no existe transporte neto de materia a través del medio. Como en el caso de una alfombra o un látigo cuyo extremo se sacude, la alfombra no se desplaza, sin embargo una onda se propaga a través de ella. La velocidad puede ser afectada por algunas características del medio como: la homogeneidad, la elasticidad, la densidad y la temperatura. Dentro de las ondas mecánicas tenemos las ondas elásticas, las ondas sonoras y las ondas de gravedad.

Ondas electromagnéticas: las ondas electromagnéticas se propagan por el espacio sin necesidad de un medio, pudiendo por lo tanto propagarse en el vacío. Esto es debido a que las ondas electromagnéticas son producidas por las oscilaciones de un campo eléctrico, en relación con un campo magnético asociado. Las ondas electromagnéticas viajan aproximadamente a una velocidad de 300000 km por segundo, de acuerdo a la velocidad puede ser agrupado en rango de frecuencia. Este ordenamiento es conocido como Espectro Electromagnético, objeto que mide la frecuencia de las ondas.

Ondas gravitacionales: las ondas gravitacionales son perturbaciones que alteran la geometría misma del espacio-tiempo y aunque es común representarlas viajando en el vacío, técnicamente no podemos afirmar que se desplacen por ningún espacio, sino que en sí mismas son alteraciones del espacio-tiempo.

En función de su propagación o frente de onda

Ondas unidimensionales: las ondas unidimensionales son aquellas que se propagan a lo largo de una sola dirección del espacio, como las ondas en los muelles o en las cuerdas. Si la onda se propaga en una dirección única, sus frentes de onda son planos y paralelos.

Ondas bidimensionales o superficiales: son ondas que se propagan en dos direcciones. Pueden propagarse, en cualquiera de las direcciones de una superficie, por ello, se denominan también ondas superficiales. Un ejemplo son las ondas que se producen en una superficie líquida en reposo cuando, por ejemplo, se deja caer una piedra en ella.

Ondas tridimensionales o esféricas: son ondas que se propagan en tres direcciones. Las ondas tridimensionales se conocen también como ondas esféricas, porque sus frentes de ondas son esferas concéntricas que salen de la fuente de perturbación expandiéndose en todas direcciones. El sonido es una onda tridimensional. Son ondas tridimensionales las ondas sonoras (mecánicas) y las ondas electromagnéticas.

En función de la dirección de la perturbación

Ondas longitudinales: son aquellas que se caracterizan porque las partículas del medio se mueven (ó vibran) paralelamente a la dirección de propagación de la onda. Por ejemplo, un muelle que se comprime da lugar a una onda longitudinal.

Ondas transversales: son aquellas que se caracterizan porque las partículas del medio vibran perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda.

En función de su periocidad

Ondas periódicas: la perturbación local que las origina se produce en ciclos repetitivos por ejemplo una onda senoidal.

Ondas no periódicas: la perturbación que las origina se da aisladamente o, en el caso de que se repita, las perturbaciones sucesivas tienen características diferentes. Las ondas aisladas también se denominan pulsos.

Ejemplos de ondas

Olas, que son perturbaciones que se propagan por el agua.

Ondas de radio, microondas, ondas infrarrojas, luz visible, luz ultravioleta, rayos X, y rayos gamma conforman la radiación electromagnética. En este caso, la propagación es posible sin un medio, a través del vacío. Estas ondas electromagnéticas viajan a 299,792,458 m/s en el vacío.

Sonoras — una onda mecánica que se propaga por el aire, los líquidos o los sólidos.

Ondas de tráfico (esto es, la propagación de diferentes densidades de vehículos, etc.) — estas pueden modelarse como ondas cinemáticas como hizo Sir M. J. Lighthill

Ondas sísmicas en terremotos.

Ondas gravitacionales, que son fluctuaciones en la curvatura del espacio-tiempo predichas por la relatividad general. Estas ondas aún no han sido observadas empíricamente.

Características de una onda

El modelo de ondas permite describir muchos fenómenos físicos.

Las ondas no se ven, pero pueden observarse sus efectos, por lo tanto su representación gráfica no es la realidad misma sino solo una forma de interpretarla, un modelo que permite su descripción y comprensión. Para caracterizar una onda y diferenciarla de otra, es necesario tener presentes algunas magnitudes que aportan información sobre sus propiedades.

Si se considera un par de ejes cartesianos, de modo que el eje y corresponde a la dirección de oscilación y el eje x a la dirección de propagación de la onda, y se analizan las posiciones de los puntos del medio alcanzados por la onda en un cierto instante, se puede observar que existen valores máximos y mínimos. Para obtenerlos se considera el desplazamiento de la onda respecto del eje positivo o negativo de las ordenadas (posición de equilibrio) una misma cantidad A. Este valor se denomina amplitud de la onda.

A las posiciones máximas se las denomina crestas y a las mínimas, valles.

Las posiciones o puntos intermedios están caracterizados por una coordenada y que se denomina elongación.

La distancia entre dos máximos o dos mínimos consecutivos se llama longitud de onda y se simboliza λ. Cada onda tiene su longitud de onda característica que se mide en metros. También se utilizan algunos de sus múltiplos y submúltiplos como kilómetros, centímetros, nanómetros (10–9 m), ángstroms (10–10 m), etc.

El período de la onda (T) corresponde al intervalo de tiempo en el cual se produce una oscilación completa. En ese tiempo, la perturbación recorre una longitud de onda.

La frecuencia (f) es el número de oscilaciones completas que se realizan por unidad de tiempo. Su unidad de medida es la oscilación por segundo o hertz (Hz). Si f = 1/ s la onda tiene una frecuencia de un hertz. Es decir 1 Hz = 1 /s .

Para frecuencias muy altas se utilizan algunos múltiplos como kilohertz (1 kHz = 103 Hz) o megahertz (1 MHz = 106 Hz).

La velocidad de propagación de la onda depende del tipo de onda y del medio en el que se propaga. Por ejemplo, la velocidad de propagación del sonido en el aire a 20 ºC es aproximadamente 340 m/s, mientras que la velocidad de propagación de la luz en el vacío es 300 000 km/s. Como la velocidad es constante para cada medio, en tanto se mantengan las condiciones, su módulo se puede calcular tomando en cuenta la distancia recorrida por la perturbación y el tiempo que tarda en recorrer dicha distancia.

Considerando que la señal recorre una longitud de onda, λ, en un período T, se puede calcular su velocidad mediante la expresión: v=λ /T

Además, teniendo en cuenta que la frecuencia se define también como la inversa del período f = 1/ T y reemplazando en la fórmula anterior, se obtiene que:

v = λ · f

donde v es la velocidad de la onda, λ su longitud y f su período.

Tipos de ondas

Se denomina onda mecánica a una perturbación que se propaga por un medio material transportando energía mecánica.

Por ejemplo, si una persona genera un pulso en el extremo de una soga, se producen vibraciones en los puntos de la soga cercanos a la mano. La energía se transmite a través de cada partícula de la soga (medio material), una a una si las consideramos puntuales, hasta llegar al otro extremo. Cada punto de la soga oscila hacia arriba y abajo con respecto a su posición original en dirección perpendicular a la dirección de propagación de la onda.

Si en lugar de producir un pulso se genera un movimiento continuo hacia arriba y abajo con respecto a la posición de equilibrio, se produce una sucesión de pulsos. En este caso, todas las partículas de la soga vibran al ser alcanzadas por el movimiento ondulatorio.

Por el contrario, si se considera un resorte y se comprime en uno de sus extremos, las espiras oscilan en la misma dirección en que se propaga la onda. Cuando se suelta el extremo, las espiras tienden a regresar a su posición original. El movimiento de compresión y elongación de las espiras se transmite a lo largo de todo el resorte con una determinada velocidad de propagación, que depende del tipo de pulso generado y de la elasticidad del medio o características del resorte.

En estos dos ejemplos se originan ondas mecánicas que transmiten energía a través de un medio material.

Si las partículas del medio en el que se propaga la perturbación vibran en un eje perpendicular a la dirección de propagación, las ondas se llaman transversales, como el caso de la soga.

Si las partículas vibran en un eje paralelo a la dirección de propagación, las ondas se denominan longitudinales, como ocurre en el resorte.

Una onda longitudinal siempre es mecánica, es decir se propaga en un medio material.

Las ondas sonoras son un ejemplo típico de esta forma de movimiento ondulatorio.

Las ondas transversales pueden ser mecánicas, como las que se propagan a lo largo de una cuerda tensa cuando se produce una perturbación en uno de sus extremos, o electromagnéticas, como las de la luz, los rayos X , la radio, o las microondas.

En el caso de las ondas electromagnéticas, que también pueden propagarse en el vacío, el campo eléctrico oscila en un eje perpendicular a la dirección de propagación; el campo magnético también oscila, pero en dirección perpendicular al campo eléctrico.

Algunos fenómenos ondulatorios mecánicos, como las olas superficiales de los líquidos, son combinaciones de movimientos longitudinales y transversales más complejos, por lo cual las partículas de líquido se mueven de forma elíptica.

El movimiento ondulatorio

La transmisión de una perturbación que se propaga en el tiempo en un medio material, e incluso en el vacío, se puede producir a través de ondas.

Perturbaciones como la luz y el sonido son formas de energía que se propagan en el espacio tiempo a través de ondas.

Cuando una persona habla, vibran sus cuerdas vocales las que transmiten cierta cantidad de su energía interna al aire que rodea su garganta y su boca, y también al espacio que está más cercano a la persona. Esta perturbación se propaga y llega, por ejemplo, a los oídos de otros. Allí impacta sobre el tímpano, una membrana delgada que al vibrar a su vez, transmite la perturbación a un conjunto de huesos muy pequeños que también vibran y producen señales que son captadas finalmente por el nervio auditivo y decodificadas por el cerebro.

Si se pulsa una cuerda tensa de guitarra, se produce una perturbación que se propaga

a lo largo de la cuerda y que también se transmite a través del aire que la rodea. Cada partícula de la cuerda se encuentra en reposo hasta que es pulsada. A partir de ese instante oscila durante un cierto tiempo y luego, cuando la onda pasa, vuelve a la posición de equilibrio. El pulso se ha propagado a lo largo de la cuerda transmitiendo energía, pero no materia. Ninguna partícula de la cuerda se ha desplazado junto con el pulso.

Si se arroja una piedra en la superficie de un lago en la que flota un corcho, se produce un movimiento vibratorio en las partículas de agua alcanzadas por la piedra. Luego de un tiempo, el corcho también oscilará.

La piedra produce una perturbación sobre la superficie del agua que se propaga en forma de ondas circulares. Si la onda llega al corcho, éste oscila y cuando la onda ha pasado, el corcho retoma su posición de equilibrio sin desplazarse con la onda. La piedra transfiere cierta cantidad de energía al medio, en este caso al agua, que se propaga en forma de onda.

❚ En estos ejemplos están comprendidos diferentes tipos de ondas, pero todas ellas tienen en común que resultan de una perturbación que se propaga en el espacio y en el tiempo.

❚ Para que se originen ondas, tiene que existir un sistema emisor que oscile y transmita energía.

❚ En algunos casos, es necesario un medio material de propagación, como por ejemplo el aire, la cuerda, el agua, etc.

❚ Las ondas de luz y las radiaciones producidas por las oscilaciones de campos eléctricos y magnéticos en el tiempo, se propagan en el vacío a una velocidad de 300 000 km/s.

❚ La velocidad de propagación de una determinada onda depende del tipo de onda y de las características del medio en el que se transmite la perturbación.

Definición:

Una vibración puede ser definida como un movimiento de ida y vuelta alrededor de un punto de referencia. Sin embargo, definir las características necesarias y suficientes que caracterizan un fenómeno como onda es, como mínimo, algo flexible. El término suele ser entendido intuitivamente como el transporte de perturbaciones en el espacio, donde no se considera el espacio como un todo sino como un medio en el que pueden producirse y propagarse dichas perturbaciones a través de él. En una onda, la energía de una vibración se va alejando de la fuente en forma de una perturbación que se propaga en el medio circundante (Hall, 1980: 8). Sin embargo, esta noción es problemática en casos como una onda estacionaria (por ejemplo, una onda en una cuerda bajo ciertas condiciones) donde la transferencia de energía se propaga en ambas direcciones por igual, o para ondas electromagnéticas/luminosas en el vacío, donde el concepto de medio no puede ser aplicado.

Calorimetría

Se denomina calorimetría a la medición y el cálculo de las cantidades de calor que intercambia un sistema.

Intuitivamente se sabe que cuanto mayor sea la cantidad de calor suministrada, el cuerpo alcanzara una mayor variación de la temperatura. Es posible verificar experimentalmente que entre el calor y la temperatura existe una relación de proporcionalidad directa. La constante de proporcionalidad depende tanto de la sustancia que constituye el cuerpo como de su masa, y resulta el producto del calor específico por la masa del cuerpo.

Por lo tanto la ecuación que permite calcular intercambios de calor es:

Q = c ・ m ・ ΔT

donde Q es el calor intercambiado por un cuerpo de masa m, constituido por una sustancia cuyo calor especifico es c, siendo ΔT la variación de temperatura experimentada.

Por convención, se adopta el signo positivo para Q cuando la variación de temperatura es mayor que cero, es decir cuando el cuerpo aumenta su temperatura. En caso contrario, cuando la variación de temperatura es menor que cero, el cuerpo disminuye su temperatura y el signo de Q será negativo.

Es decir que la cantidad de calor que intercambian dos cuerpos del mismo material, pero de masas diferentes, para variar de igual manera sus temperaturas, depende de sus masas.

Por ejemplo, si se entrega la misma cantidad de calor a 500 g de agua y luego a 1000 g de agua que inicialmente se encuentran a temperatura ambiente, se espera que la variación de temperatura de la masa menor de agua sea mayor que la correspondiente a la masa mayor de agua.

Algunos cálculos de calorimetría

Es importante tener en cuenta que en esta transferencia se cumple el Principio de Conservación de la Energía ya que se puede afirmar que:

Si dos cuerpos o sistemas aislados intercambian energía en forma de calor, la cantidad recibida por uno de ellos es igual a la cantidad cedida por el otro cuerpo.

Es decir, la energía total intercambiada se conserva. Esto se puede escribir matemáticamente de la siguiente forma Σ Q = 0.

Si se consideran dos cuerpos de masas diferentes m1 y m2 que se encuentran a diferentes temperaturas T1 y T2 respectivamente y se colocan en contacto térmico, al cabo de un tiempo equipararan sus temperaturas a una cierta temperatura final Tf, es decir, alcanzaran el equilibrio térmico. En este intercambio se cumple el principio de conservación de la energía, es decir, la cantidad de energía que absorbe un cuerpo es igual a la cantidad de energía que cede el otro, por lo cual se puede escribir que:

Q2 = – Q1 que es lo mismo que escribir que:

c2 ・ m2 ・ (Tf – T2) = – c1 ・ m1 ・ (Tf – T1)

La temperatura final alcanzada luego del intercambio es:

Tf = m 1 ・ c 1 ・ T 1 + m 2 ・ c 2 ・ T 2

             m 1 ・ c 1 + m 2 ・ c 2

Problemas:

1. Se colocan 500 gramos de agua líquida a 10 ºC en un calorímetro ideal (se desprecia el intercambio de calor del calorímetro) y se la mezcla con 1000 gramos de agua a 70 ºC. Calcular la temperatura de equilibrio de esta mezcla.

2. Calcular la cantidad de calor necesaria en kcal y J que deben ceder 1500 gramos de agua que se encuentra en su punto de ebullición para disminuir su temperatura hasta 20 °C.

3. ¿Cuál será el aumento de temperatura de una barra de 3 kg de hierro si se coloca en un horno industrial que le suministra 30 kcal? Consultar la tabla de calores específicos.

4. Calcular el calor específico de una sustancia que constituye un cuerpo de 20 g de masa, sabiendo que para elevar su temperatura 6 ºC se necesitan 96 cal.

5. El sistema de refrigeración de un camión contiene 20 litros de agua. ¿Cuál es la variación de la temperatura del agua si se debe extraer una cantidad de energía en forma de calor de 836 000 J?

Sustancia	Calor específico cal/g.ºC
Agua	1
Agua de mar	0,945
Aire	0,0000053
Alcohol	0,58
Aluminio	0,212
Arena	0,20
Bronce	0,092
Cobre	0,093
Hielo	0,55
Hierro	0,113
Lana de vidrio	0,00009
Latón	0,094
Mercurio	0,033
Oro	0,031
Plata	0,060
Plomo	0,031
Vidrio	0,199
Zinc	0,092