Fenomene termice, electrice și optice

Temperatura descrie starea termică a unui corp și este legată de agitația moleculelor: cu cât moleculele se mișcă mai repede, cu atât temperatura este mai mare. Căldura (Q) este energia transferată între corpuri cu temperaturi diferite; se măsoară, ca orice energie, în jouli (J).

Căldura necesară pentru a încălzi un corp depinde de masa lui, de substanță și de variația de temperatură: Q = m·c·Δt, unde c este căldura specifică a substanței (pentru apă, c = 4185 J/(kg·°C) — una dintre cele mai mari valori, motiv pentru care apa se încălzește și se răcește greu).

Căldura se transmite prin trei mecanisme: conducție (prin contact direct, predominant în solide — lingura de metal se încălzește în ceai), convecție (prin curenți de fluid — aerul cald urcă, caloriferul încălzește camera) și radiație (prin unde electromagnetice — căldura Soarelui ajunge la noi prin vid).

Substanțele pot exista în trei stări de agregare: solidă, lichidă și gazoasă. Trecerile dintre acestea se numesc schimbări de stare: topire (solid → lichid), solidificare (lichid → solid), vaporizare (lichid → gaz), condensare (gaz → lichid), sublimare (solid → gaz direct) și desublimare.

În timpul topirii sau al fierberii unei substanțe pure, temperatura rămâne constantă, deși corpul primește căldură: energia primită este folosită pentru ruperea legăturilor dintre molecule, nu pentru creșterea temperaturii. Gheața se topește la 0 °C, iar apa fierbe la 100 °C (la presiune normală).

Căldura necesară topirii: Q = m·λ, unde λ este căldura latentă specifică de topire (pentru gheață, λ = 334000 J/kg). Pentru vaporizare: Q = m·λv (pentru apă, λv = 2260000 J/kg). Vaporizarea se poate produce prin evaporare (lentă, doar la suprafață, la orice temperatură) sau prin fierbere (rapidă, în toată masa lichidului, la o temperatură fixă).

Curentul electric este mișcarea ordonată a purtătorilor de sarcină electrică (în metale, electronii). Un circuit electric simplu conține: o sursă (baterie), conductoare de legătură, un consumator (bec, rezistor) și un întrerupător. Intensitatea curentului (I) se măsoară în amperi (A) cu ampermetrul, legat în serie; tensiunea electrică (U) se măsoară în volți (V) cu voltmetrul, legat în paralel.

Rezistența electrică (R) arată cât de mult se opune un conductor trecerii curentului; se măsoară în ohmi (Ω). Rezistența unui conductor depinde de material, lungime și grosime: R = ρ·l/S. Legea lui Ohm pentru o porțiune de circuit: I = U/R — intensitatea este direct proporțională cu tensiunea și invers proporțională cu rezistența.

Rezistoarele se pot grupa în serie sau în paralel. În serie: aceeași intensitate prin toate, iar rezistența echivalentă este suma: Rs = R1 + R2. În paralel: aceeași tensiune pe toate, iar 1/Rp = 1/R1 + 1/R2. Energia electrică: W = U·I·t; puterea electrică: P = U·I. Efectul termic al curentului (legea Joule) este folosit la reșouri și fiare de călcat.

Lumina se propagă în linie dreaptă în medii omogene — așa se explică formarea umbrelor și a eclipselor. Când lumina întâlnește o suprafață lucioasă, se reflectă. Legile reflexiei: raza incidentă, normala și raza reflectată sunt în același plan, iar unghiul de reflexie este egal cu unghiul de incidență (r = i). Oglinda plană formează imagini virtuale, drepte, egale cu obiectul și simetrice față de oglindă.

Când lumina trece dintr-un mediu transparent în altul (de exemplu din aer în apă), își schimbă direcția de propagare: acest fenomen se numește refracție. La trecerea într-un mediu mai dens optic, raza se apropie de normală. De aceea o linguriță într-un pahar cu apă pare frântă, iar fundul piscinei pare mai aproape decât este.

Indicele de refracție n arată de câte ori este mai mică viteza luminii în mediul respectiv față de vid: n = c/v. Dacă lumina trece dintr-un mediu mai dens optic spre unul mai puțin dens, peste un anumit unghi (unghiul limită) se produce reflexia totală — fenomen folosit în fibrele optice care transportă internetul.

Lentilele sunt corpuri transparente mărginite de suprafețe curbe. Lentilele convergente (mai groase la mijloc) adună razele de lumină într-un punct numit focar; lentilele divergente (mai subțiri la mijloc) împrăștie razele. Distanța focală f este distanța de la lentilă la focar, iar convergența C = 1/f se măsoară în dioptrii (δ), când f este în metri.

O lentilă convergentă formează imagini reale și răsturnate dacă obiectul este dincolo de focar, sau imagini virtuale, drepte și mărite dacă obiectul este între focar și lentilă — așa funcționează lupa. Formula lentilelor subțiri leagă pozițiile obiectului și imaginii: 1/f = 1/x2 − 1/x1 (cu convenția de semne).

Ochiul este un instrument optic natural: cristalinul este o lentilă convergentă care formează imaginea pe retină. Miopia (imaginea se formează înaintea retinei) se corectează cu lentile divergente; hipermetropia, cu lentile convergente. Alte instrumente optice: lupa, aparatul foto, microscopul (mărește obiecte foarte mici) și luneta/telescopul (apropie obiecte îndepărtate).