Avanzado Pérdida de calor

[Davalillo]

[FONT=Arial]Hola. [/FONT]

[FONT=Arial]Sabemos que el calor es una cantidad de energía y es una expresión del movimiento de las moléculas que componen un cuerpo.

[/FONT][FONT=Arial]Por lo tanto cuando un cuerpo pierde calor y baja su temperatura disminuye la energía cinética de sus moléculas.

[/FONT][FONT=Arial]Un objeto puede perder calor por convección, conducción y radiación.

En las 2 primeras es por contacto, el objeto más caliente pierde energía cinética que lo gana el más frío, pero mi pregunta es la siguiente:

Cuando se pierde calor por radiación, ¿también disminuye la energía cinética de las moléculas?

[/FONT][FONT=Arial]Esta pregunta me surgió cuando leí que en el Big-Bang la temperatura, en muy poco tiempo, disminuyó muchísimo y, como me imagino que estaba en equilibrio térmico, solo se perdería calor por radiación.

¿Cómo se pierde calor solo por radiación?

[/FONT][FONT=Arial]Un saludo. [/FONT]

[Alriga]

Re: Pérdida de calor

1. La radiación de un cuerpo caliente es una emisión de fotones debida principalmente a la vibración de los electrones de ese cuerpo. La emisión de fotones disminuye la amplitud o/y la velocidad de vibración de los electrones, disminuyendo con ello la energía cinética asociada a esa vibración. (Desde un punto de vista clásico ondulatorio, en la vibración de los electrones hay aceleración, y como los electrones son partículas cargadas, recuerda que Maxwell demostró que toda carga acelerada genera ondas electromagnéticas)

2. La manera más sencilla de comprender el descenso de temperatura del Universo, es observando que se trata básicamente de una expansión adiabática. En una expansión adiabática se cumple que

$\boxed{T \ V^{\gamma-1}=cte}$

(Gamma es un número mayor que 1)

En la expansión del Universo, el volumen en el que estaba ubicada cualquier porción de materia aumentaba. Si aumenta el volumen V, para que pueda seguir siendo constante el segundo miembro de la igualdad, debe disminuir la temperatura T

Saludos.

[Richard R Richard]

Re: Pérdida de calor

La radiación es la transferencia de energía por medio de ondas electromagnéticas o bien debido a la dualidad se emiten fotones.La cantidad de movimiento y la velocidad de un átomo luego de emitir un fotón disminuye por lo tanto baja su temperatura.

Muy claro el proceso en el big bang no lo tengo, pero el descanso de la temperatura no solo podría obedecer a la radiación (ya que los fotones eran reabsorbidos) sino a que el volumen del espacio se expandía muy rápido y la colisiones entre átomos empezaron a disminuir

No había visto tu respuesta Saludos Alriga

[Alriga]

Re: Pérdida de calor

... Saludos Alruga ...

Saludos Richard, pero aunque ya estoy bastante mayor, por suerte aún no estoy "alrugado"

[skynet]

Re: Pérdida de calor

2. La manera más sencilla de comprender el descenso de temperatura del Universo, es observando que se trata básicamente de una expansión adiabática. En una expansión adiabática se cumple que

$\boxed{T \ V^{\gamma-1}=cte}$

(Gamma es un número mayor que 1)

En la expansión del Universo, el volumen en el que estaba ubicada cualquier porción de materia aumentaba. Si aumenta el volumen V para que pueda seguir siendo constante el segundo miembro de la igualdad, debe disminuir la temperatura T

.

yo no creo que esa formula sea aplicable a la expansión del universo, ¿contra qué se expansiona?.

recuerda la experiencia de Joule, que hizo el vacío a una botella separada por una válvula de otra botella que contenía un gas, y al abrir la válvula el gas se expansionó ... pero sin que variase su temperatura porque se expansionaba contra el vacío por lo que no ejercía trabajo.

en el caso del universo....¿contra qué ejerce trabajo?....¿no es el mismo caso del experimento de Joule?

yo creo que lo que pasa es que aumenta la longitud de onda de las ondas electromagnéticas que se emitieron durante el big bang al expansionarse el espacio por el que se transmiten y por eso disminuye su temperatura

[Alriga]

Re: Pérdida de calor

A partir de las Ecuaciones de Campo de la Relatividad General, la hipótesis de expansión adiabática después del big-bang es utilizada para llegar a las Ecuaciones de Friedman en todos los textos de Cosmología que yo conozco. Por ejemplo Eduardo Battaner en su libro Introducción a la Astrofísica dice textualmente:

Como el Universo no puede intercambiar calor con el "exterior" la expansión ha de ser adiabática, y sabemos que en toda expansión adiabática hay enfriamiento

Saludos.

[Richard R Richard]

Re: Pérdida de calor

Cada observador es el centro de su propio universo observable. La radiación que cada uno recibe ha de ser la misma, por ser el universo homogéneo e isótropo. Por lo que la cantidad de energía en en el interior del universo observable de conserva y entonces coincido en que la expansión es adiabática.
No puede ser isotérmica la expansión pues debería registrarse un flujo neto hacia el interior que no puede provenir de otra parte del universo observable de otros observadores ya que por hipótesis hemos dicho que son similares sus universos y por otro lado no podemos afirmar que más allá del universo observable exista la nada.

No es que estés alrugado si no yo más chicato y distraído.

[pod]

Re: Pérdida de calor

recuerda la experiencia de Joule, que hizo el vacío a una botella separada por una válvula de otra botella que contenía un gas, y al abrir la válvula el gas se expansionó ... pero sin que variase su temperatura porque se expansionaba contra el vacío por lo que no ejercía trabajo.

Tengo muy olvidada la termodinámica, pero juraría que en este caso la temperatura permanece aproximadamente constante porque la energía interna del gas ideal depende sólo de la temperatura. Si no hay trabajo ni calor, el primer principio de la termodinámica impone que la energía interna sea constante. En un sistema en que la energía interna dependa de más cosas, además de la temperatura, es perfectamente posible que cambie la temperatura al expandirse. De hecho, un gas no ideal (de Van Der Waals, por ejemplo) se puede observar cambio de temperatura en una expansión adiabática contra el vacío. Estoy convencido de que debe haber versiones más precisas del experimento de Joule donde sea posible encontrar los efectos de la no idealidad (ver wikipedia, por ejemplo).

Por otro lado, el experimento de Joule es un proceso no reversible, por lo que la ecuación de las adiabáticas no aplica.

en el caso del universo....¿contra qué ejerce trabajo?....¿no es el mismo caso del experimento de Joule?

yo creo que lo que pasa es que aumenta la longitud de onda de las ondas electromagnéticas que se emitieron durante el big bang al expansionarse el espacio por el que se transmiten y por eso disminuye su temperatura

Que la longitud de onda crece proporcionalmente a (la variación de) el factor de escala es incuestionable. No obstante, no es para nada incompatible con lo que dice Alruga. De hecho, lo que tu explicas es el mecanismo microscópico; mientras que la termodinámica da el comportamiento macroscópico. Cualquier mecanismo microscópico que se dé debe dar lugar a la misma descripción termodinámica (para hacer la conexión entre ambos mundos tenemos la física estadística).

La mayor duda al respecto es si podemos considerar que es un proceso reversible, y por lo tanto usar la ecuación de las adiabáticas.

[Alriga]

Re: Pérdida de calor

... La mayor duda al respecto es si podemos considerar que es un proceso reversible, y por lo tanto usar la ecuación de las adiabáticas ...

Sí, la reversibilidad, ese es el punto débil y no la “adiabaticidad” para poder usar la expresión

$T \ V^{\gamma-1}=cte$

Sin embargo, la aproximación dada por esa expresión debe ser lo suficientemente precisa, porque “de facto” es la que he visto que se utiliza en cualquier texto de Cosmología para calcular la temperatura del Universo en cualquier tiempo cosmológico tanto pasado (pero posterior al final de la hipotética inflación) como futuro.

Para partículas relativistas, (como el fotón), el índice adiabático, según se puede consultar en la literatura es

$\gamma = \dfrac 4 3$

Luego

$T \ V^{\frac 4 3-1}=cte$

$T \ V^{\frac 1 3}=cte$

El volumen aumenta como el cubo del factor de escala

$T \cdot (a^3)^{\frac 1 3}=cte$

$\boxed{T \cdot a=cte}$

Ahora en nuestro tiempo, el factor de escala es a=1 y la temperatura es de T=2.73 K, por lo tanto para cualquier otro factor de escala

$T(a)=\dfrac{2.73}{a}$

Si se quiere calcular la temperatura del Universo en una época cualquiera, por ejemplo hace 11.650 millones de años, primero mediante las ecuaciones de Friedman se calcula el factor de escala para esa época, (tiempo cosmológico = 2.149 millones de años) y se llega a que le corresponde a=0.25

Conocido ya el factor de escala, se calcula la temperatura en esa época, que era de:

$T(0.25)=\dfrac{2.73}{0.25}=10.9 \ K$

ACTUALIZADO: Ver también http://forum.lawebdefisica.com/threa...a-del-Universo

Saludos.

[skynet]

Re: Pérdida de calor

juraría que en este caso la temperatura permanece aproximadamente constante porque la energía interna del gas ideal depende sólo de la temperatura.

....correcto

En un sistema en que la energía interna dependa de más cosas, además de la temperatura, es perfectamente posible que cambie la temperatura al expandirse.

....pero ¿de qué depende entonces la energía interna del universo?

[Alriga]

Re: Pérdida de calor

[FONT=Arial] ... [/FONT][FONT=Arial]¿Cómo se pierde calor solo por radiación? ...[/FONT]

Por si esta parte aun no te la hubiésemos aclarado lo suficiente, señalar que hay tres formas de estudiar la transferencia macroscópica de calor: conducción, convección y radiación. Como puedes consultar, por ejemplo en la Wikipedia:

- La Conducción modeliza la transmisión de energía en forma de calor desde una parte de un cuerpo a otra del mismo cuerpo, o bien desde un cuerpo a otro que esté en contacto físico con él, sin desplazamiento apreciable de las partículas de los cuerpos.

- La Convección es el modelo que se utiliza para estudiar la transmisión de calor desde un punto a otro de un fluido, (un gas o un líquido), mediante el movimiento de mezcla de una porción del fluido con otra. En la convección natural, el movimiento del fluido se debe a las diferencias de densidad como resultado de diferencias de temperatura y en la convección forzada, el movimiento se produce por medios mecánicos.

- Radiación es la transmisión de energía térmica desde un cuerpo a otro, que no se encuentra en contacto con él, por medio de ondas electromagnéticas a través del espacio.

El mecanismo de generación de esa ondas es el que hemos explicado en los posts anteriores, (vibración de cargas eléctricas), y como se sabe después del experimento de Michelson-Morley, las ondas electromagnéticas se pueden desplazar por el vacío, (no tienen necesidad de un medio material para desplazarse)

Por lo tanto, un cuerpo que no esté en contacto con ningún otro cuerpo ni con ningún fluido, solo podrá emitir calor por radiación a través del vacío que lo rodea.

Como en todo cuerpo a una temperatura superior al cero absoluto hay vibración, ello implica que todos los cuerpos emitirán una colección de ondas electromagnéticas dependiente de su temperatura, que se llama radiación térmica, (o radiación de cuerpo negro), que se transmite por el espacio. Al mismo tiempo de estar emitiendo, ese cuerpo también recibirá radiación térmica de otros cuerpos. Si el cuerpo en cuestión emite más radiación de la que recibe se enfriará y si recibe más de la que emite se calentará.

Así es como una estrella como el Sol puede calentar un planeta como es la Tierra a través del espacio vacío.

Saludos.

[Davalillo]

Re: Pérdida de calor

Muchísimas gracias Alriga por los comentarios.

La duda, que ya me habéis solucionado, era si al perder calor por radiación bajaba la temperatura por la disminución de la vibración.

Me comentas que en el universo baja la temperatura por expansión adiabática, pero he leído que en la expansión adiabática libre la temperatura no cambia; me imagino porque no se realiza ningún trabajo. Pero por lo que dices en el universo con la expansión baja la temperatura.

Un saludo