Gravedad

La gravedad, la más débil de las cuatro fuerzas fundamentales, es sin embargo la fuerza dominante en el universo y modela la estructura a gran escala de las galaxias, estrellas, etc. La fuerza gravitacional entre dos masas m₁ y m₂ está dada por la relación:

A esto se le llama a menudo la "ley de gravitación universal" y G la constante de gravitación universal. La gravedad es un ejemplo de una fuerza que sigue la ley del inverso del cuadrado. La fuerza es siempre atractiva y actua a lo largo de la línea de unión del centro de masa de las dos masas. Las fuerzas de las dos masas son de igual magnitud, pero de sentido opuesto, obedeciendo a la tercera ley de Newton. Vista como un intercambio de fuerzas, a la partícula de intercambio menos masiva se le llama gravitón.

La fuerza de la gravedad, tiene la misma forma que la ley de Coulomb para la fuerza entre cargas eléctricas, o sea, es una fuerza de la ley del inverso del cuadrado, que depende del producto de las dos fuentes interaccionando. Esto llevó a Einstein a comenzar a trabajar con la fuerza electromagnética y la gravedad como el primer intento para demostrar la unificación de las fuerzas fundamentales. Resulto ser el lugar equivocado para comenzar, y la gravedad sería la última de las fuerzas para unificar con las otras tres fuerzas. La Unificación electrodébil (unificación de las fuerzas débil y magnética) se demostró en 1983, un resultado que no era previsible en el momento de la investigación por Einstein. Ahora parece que la forma común de la gravedad y la fuerza electromagnética, surge del hecho de que cada uno de ellos consiste en una partícula de intercambio con masa cero, no por una simetría inherente que los harían fáciles de unir.

Leyes de Conservación

Si un sistema no interacciona con su entorno de ninguna manera, entonces determinadas propiedades mecánicas del sistema no pueden cambiar. Algunas veces nos referimos a ellas como "constantes del movimiento". Estas cantidades se dice que son "conservadas" y las leyes de conservación resultante se pueden considerar como los principios mas fundamentales de la mecánica. En mecánica, ejemplos de cantidades conservativas son la energía, el momento y el momento angular. Las leyes de conservación son exactas para un sistema aislado.

Establecidas aquí como principios de la mecánia, estas leyes de conservación tiene profundas implicaciones en la simetría de la naturaleza, que no hemos visto violadas. Ellas sirven como una fuerte restricción en cualquier teoría sobre cualquier rama de la ciencia.

Conservación del Momento

El momento de un sistema aislado es una constante. La suma de vectores de momentos mv de todos los objetos de un sistema, no pueden ser cambiados por interacciones dentro del propio sistema. Esto supone una fuerte restricción a los tipos de movimientos que pueden ocurrir en un sistema aislado. Si a una parte del sistema se le da un determinado momento en una dirección determinada, entonces alguna otra parte del sistema obtendrá simultáneamente, exactamente el mismo momento en dirección opuesta. Hasta donde podemos decir la conservación del momento es una simetría absoluta de la naturaleza. O sea, no conocemos nada en la naturaleza que lo viole.

Conservación de la Energía

Definimos energía como la capacidad para producir trabajo. Puede existir en una variedad de formas y pude transformarse de un tipo de energía a otro tipo. Sin embargo, estas transformaciones de energía están restringidas por un principio fundamental, el principio de conservación de la energía. Una forma de establecer este principo es "la energía ni se crea ni se destruye". Otro forma de decirlo es, la energía total de un sistema aislado permanece constante.

La Conservación de la Energía como Principio Fundamental

El principio de conservación de la energía es uno de los principios fundamentales de todas las disciplinas científicas. En variadas áreas de la ciencia, habrá ecuaciones primarias que se pueden ver exactamente como una apropiada reformulación del principio de conservación de la energía.

Conservación del Momento Angular

El momento angular de un sistema aislado permanece constante en magnitud y en dirección. El momento angular se define como el producto del momento de inercia I, y la velocidad angular. El momento angular es una cantidad vectorial y la suma de vectores de los momentos angulares de las partes de un sistema aislado es constante. Esto supone una fuerte restricción sobre los tipos de movimientos rotacionales que pueden ocurrir en un sistema aislado. Si a una parte del sistema se le dá un momento angular en una dirección determinada, entonces alguna otra parte del sistema, debe simultáneamente obtener exactamente el mismo momento angular en dirección opuesta. La conservación del momento angular es una simetría absoluta de la naturaleza. Es decir, no tenemos constancia de ningún fenómeno en la naturaleza que lo haya violado.

Un Sistema Aislado

Un sistema aislado es una colección de materia, que no reacciona en absoluto con el resto del universo y hasta donde conocemos, no exiten tales sistemas. No existe una pantalla contra lagravedad, y la fuerza electromagnética es de alcance infinito. Pero con objeto de centrarnos en principios básicos, es útil postular tales sistemas para clarificar la naturaleza de las leyes físicas. En particular, las leyes de conservación se pueden presumir exactas cuando se refieran a sistemas aislados:

Conservación de la energía: la energía total de un sistema es constante.

Conservación del momento: El producto de la masa por la velocidad del centro de masa es constante.

Conservación del momento angular: El momento angular total de un sistema es constante.

Tercera Ley de Newton: No se puede generar fuerza neta dentro de un sistema, puesto que todas las fuerzas ocurren en pares opuestos. La aceleración del centro de masa es cero.

Primera Ley de la Termodinámica

La primera ley de la termodinámica, es la aplicación del principio de conservación de la energía, a los procesos de calor y termodinámico:

La primera ley hace uso de los conceptos claves de energía interna, calor, ytrabajo sobre un sistema. Usa extensamente el estudio de los motores térmicos. La unidad estándar de todas estas cantidades es el julio, aunque algunas veces se expresan en calorías o BTU.

En los textos de Química es típico escribir la primera ley como ΔU=Q+W. Por supuesto que es la misma ley, -la expresión termodinámica del principio de conservación de la energía-. Exactamente se define W, como el trabajo realizadosobre el sistema, en vez de trabajo realizado por el sistema. En un contexto físico, el escenario común es el de añadir calor a un volumen de gas, y usar la expansión de ese gas para realizar trabajo, como en el caso del empuje de un pistón, en un motor de combustión interna. En el contexto de procesos y reacciones químicas, suelen ser mas comunes, encontrarse con situaciones donde el trabajo se realiza sobre el sistema, mas que el realizado por el sistema.

Entalpía

En la termodinámica de reacciones químicas y en los procesos no cíclicos son útiles cuatro cantidades llamadas "potenciales termodinámicos". Estos son laenergía interna, la entalpía, la energía libre de Helmholtz y la energía libre de Gibbs. La entalpía se define por

H = U + PV

donde P y V son la presión y el volúmen, y U es la energía interna. La entalpía es por tanto una variable de estado medible de forma precisa, puesto que se define en función de las otras tres variables de estado medibles de forma precisa. Es algo paralelo a la primera ley de la termodinámica en un sistema a presión constante

Q = ΔU + PΔV puesto que en este caso Q=ΔH

Se trata de una cantidad útil en el seguimiento de las reacciones químicas. Si como resultado de una reacción exotérmica se libera un poco de energía de un sistema, tiene que aparecer de alguna forma medible en función de las variables de estado. Un incremento de la entalpía H = U + PV se debería asociar con un incremento en la energía interna que podría medirse por la calorimetría, o por el trabajo realizado por el sistema, o por una combinación de los dos.

La energía interna U podría considerarse como, la energía necesaria para crear un sistema en ausencia de cambios en la temperatura o el volumen. Pero si el proceso cambia el volumen, como en las reacciones químicas que producen productos gaseosos, entonces se debe realizar trabajo para producir cambio en el volumen. En un proceso a presión constante, el trabajo que debemos realizar para producir un cambio de volumen ΔV es PΔV. Por tanto el término PV se puede interpretar como el trabajo que se debe hacer para "crear espacio" para el sistema, si se presume que empezó con un volumen cero.

Trabajo del Sistema

Normalmente es un gas el que realiza el trabajo en un sistema termodinámico. El trabajo realizado por un gas a presión constante es:

Momento Angular y Lineal

El momento angular y el momento lineal, son ejemplos del paralelismo entre los movimientos lineal y rotacional. Tienen la misma forma y están sujetos a las restricciones fundamentales de las leyes de conservacións, la conservación del momento lineal y la conservación del momento angular .