UNIDAD
Capítulos 01 Los materiales, 20
02 Estado de agregación de los materiales, 38
La materia se convierte en materiales con los que fabricamos todos los objetos que deseamos o necesitamos para nuestra vida cotidiana. Los materiales tradicionales, que han acompañado a los humanos desde sus primeros pasos en este planeta, siguen utilizándose, pero la evolución ha provocado la búsqueda de otros más adecuados para la fabricación de los productos necesarios para la supervivencia de la especie. El conocimiento de las propiedades de los elementos permitió conseguir el material apropiado para cada propósito.
Miles de años de descubrimientos a lo largo de la historia han hecho posible que tengamos televisores de plasma, LCD o grabadoras de DVD, que vivamos fuera de nuestro planeta (en la Estación Espacial Internacional) o que viajemos más rápido que el sonido.
En la naturaleza, la materia se puede encontrar en cuatro formas o condiciones a las que llamamos estados.
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La materia
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El mundo material nos impresiona por la cantidad y variedad de sustancias diferentes que en él podemos distinguir. Existen unas pocas sustancias simples y muchas compuestas.
Cuando se decide usar un determinado material para la fabricación de un objeto cualquiera, una herramienta, por ejemplo, nos fijamos en determinadas propiedades que hacen que ese material sea el adecuado para el objetivo.
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Capítulo
01
Los materiales
1 Los materiales y sus propiedades 2 La dilatación térmica
Todo lo que compone nuestro mundo, incluso nosotros mismos, está formado por materia. El agua, el acero, la manteca, las estrellas, un lápiz, todo se compone de materia. ¿Y cómo podemos definirla? En principio podemos decir que materia es todo aquello que tiene masa (una medida de la cantidad de materia) y ocupa un lugar en el espacio (tiene un volumen). Una porción de materia, con límites perfectamente definidos en el espacio, forma un cuerpo (por ejemplo, un planeta o un florero). A su vez, cada una de las tantas formas en que se presenta la materia se denomina material. En este capítulo estudiarán las propiedades extensivas e intensivas de los materiales. Piensa en ocho materiales distintos. ¿Cuáles se encuentran en la naturaleza y cuáles fueron elaborados por el ser humano? De los siguientes materiales: acero, polietileno, nylon, bronce, plata, poliestireno, ¿cuáles incluirías entre los plásticos y cuáles entre los metales? ¿Utilizas a diario instrumentos que midan algunas propiedades de los materiales? Piensa tres ejemplos. ¿Pesa lo mismo una caja llena de clavos de acero que la misma caja llena de escarbadientes? ¿Por qué?
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3 Propiedades eléctricas
Los materiales y sus propiedades La lista de materiales que conocemos es interminable: la madera de los muebles, los vidrios de las ventanas y el aluminio de sus marcos, las cerámicas de los pisos, el plástico de las bolsas, la lana y el algodón de la ropa, el cemento de las paredes, el cartón de las cajas, entre otros.
Tema 1
• Magnitud: nombre que reciben todas las propiedades de la materia que se pueden medir o cuantificar.
Clasificar la enorme cantidad de materiales que se presentan en nuestro entorno no es tarea fácil. Podemos hacerlo de muchas maneras diferentes y seguramente no incluiremos a todos. En primer lugar tendremos que definir los criterios que se utilizarán para realizar la clasificación. Estos criterios generalmente tienen en cuenta las propiedades de los materiales. Las propiedades son las características que posee cada material y que permiten distinguir unos de otros. Estas propiedades se tienen en cuenta en la elección del más adecuado para un uso determinado. Conozcámoslas antes de realizar una clasificación de los materiales.
Propiedades extensivas Las propiedades extensivas de los materiales dependen de la cantidad de materia y son aditivas. Por ejemplo, si un litro de agua ocupa cierto volumen, dos litros de agua ocuparán el doble de espacio y tendrán el doble de materia. Algunas de estas propiedades son la masa y el volumen.
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» Masa. Es una magnitud fundamental. La unidad de masa en el Sistema
Internacional de Unidades (SI) es el kilogramo (kg) F1. Si la cantidad de materia de un cuerpo no varía, su masa será la misma en cualquier punto del universo. A veces la masa se confunde con el peso, que es la fuerza con que la masa de un cuerpo es atraída por la fuerza de gravedad, que se expresa en newton (N = kg • m/s2). Aunque la masa no cambie, el peso puede variar levemente de un sitio a otro cuando varía la fuerza de gravedad: aumenta cerca de los polos y disminuye en las alturas y en el ecuador. Si nos alejamos de la Tierra, por ejemplo en la Luna, donde la gravedad es menor, el peso también será menor, mientras que la masa se mantendrá constante. » Volumen. Mide el espacio que ocupa un cuerpo. Es una magnitud derivada de la longitud. La unidad de volumen en el SI es el metro cúbico (m3). En ocasiones, para expresar el volumen de un líquido, hablamos de la capacidad del recipiente en el que se encuentra. La unidad de capacidad es el litro (l o L), que equivale al volumen de un cubo de 1 dm de lado F2. Por ejemplo, de una botella que puede contener como máximo un litro de leche decimos que tiene una capacidad de 1 l y un volumen de 1 dm3.
F1 La masa de los cuerpos se mide con la balanza.
F2 Envases de distintas capacidades.
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Propiedades intensivas Existen otras propiedades de los materiales que, a diferencia de las extensivas, no dependen de la cantidad considerada de materia ni son aditivas. Resulta útil conocerlas cuando queremos caracterizar los materiales y, además, cuando necesitamos diferenciar un material de otro. Estas propiedades se denominan propiedades intensivas. Veamos algunas:
Propiedades organolépticas Para descubrir las características que tienen los diferentes materiales necesitamos la ayuda de nuestros sentidos. El color, el sabor, el brillo, el olor, la sonoridad son propiedades muy útiles cuando se trata de diferenciar un material de otro. Por ejemplo, si acercas la nariz a una bolsa de café y a una botella de vinagre, te darás cuenta de que huelen bien distinto.
Propiedades mecánicas de los sólidos
»
»
»
»
»
»
ser rayado. El diamante, por ejemplo, es el material más duro que se conoce y se utiliza para cortar vidrio F3. Un material blando es aquel que posee poca dureza, como el yeso. Fragilidad. Es la propiedad que tienen ciertos materiales de romperse fácilmente cuando se les aplica un golpe. Un material puede ser duro y frágil, como el vidrio y la cerámica. Tenacidad. Es la propiedad contraria a la fragilidad, ya que corresponde a la resistencia que presentan algunos materiales, como la madera, el metal y la mayoría de los plásticos, a romperse por un golpe F4. Plasticidad. Es la propiedad contraria a la elasticidad, ya que un material que posee plasticidad se deforma de modo permanente. Por ejemplo, cuando se deforma la plasticina queda con la forma que se le dio con las manos. Maleabilidad. Es la facilidad que tienen algunos materiales de extenderse formando láminas muy finas sin romperse, como el oro, la plata y el platino F5. Ductilidad. Es la capacidad que tienen ciertos materiales de estirarse formando hilos muy finos sin romperse, como por ejemplo el cobre, que se usa dentro de los cables eléctricos. Resistencia. Es la propiedad que posee un material para resistir la acción de las fuerzas externas de compresión, tracción, torsión y flexión.
F3 El diamante es el material más duro que se conoce.
F4 El acero es un material muy tenaz. Por eso se utiliza en muchas herramientas.
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F5 El aluminio es un material maleable.
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» Dureza. Es la propiedad que indica la resistencia que tiene un material a
» Elasticidad. No todos los materiales se deforman cuando actúa una fuer-
za sobre ellos ni recuperan su forma original cuando esta deja de actuar. Los materiales elásticos sí lo hacen, aunque el grado de la deformación depende, entre otras cosas, de la intensidad de la fuerza: las fuerzas más intensas causan deformaciones mayores. Pero existe un límite; si la fuerza sobrepasa cierto valor, se puede producir una rotura en el material. En ese caso el material ya no vuelve a adoptar su forma original cuando deja de actuar la deformación. Son ejemplos de cuerpos elásticos una banda elástica, un guante de látex, un resorte, una garrocha.
Terapia física con bandas elásticas.
Resorte.
Cuando una fuerza deformante (B) actúa sobre un cuerpo elástico, este responde sobre el cuerpo que lo deforma con una fuerza, denominada fuerza elástica (A), en la misma dirección pero en sentido opuesto.
Garrocha.
A
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B
Cuanto mayor es la fuerza deformante, más se deforma el cuerpo elástico, y también mayor es la fuerza elástica. Si queremos investigar la relación que existe entre la fuerza ejercida y la deformación producida en un cuerpo elástico, colgamos de él distintas pesas y medimos el estiramiento producido en cada caso. Los resultados que obtendremos determinarán que el estiramiento de un cuerpo elástico ( l) producido por una fuerza deformante (Fd) varía en forma directamente proporcional al valor de esa fuerza, tal como lo dedujo el científico inglés Robert Hooke (1635-1703) en el siglo XVII. Su expresión matemática es: Fd = k • l
l (cm)
20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 1
Responde las preguntas: a. ¿Cómo evidenciarías con un ejemplo de la vida cotidiana la frase «cuanto mayor es la fuerza deformante, más se deforma el cuerpo elástico»? Fundamenta tu respuesta. b. ¿Qué ocurriría si una fuerza deformante actuara sobre un cuerpo que no es elástico? c. ¿Cómo es la relación entre la deformación y la fuerza elástica?
2
3
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9 10
Número de pesas
El estiramiento de un cuerpo elástico es directamente proporcional a la fuerza deformante ejercida sobre él (en este caso, representada por el número de pesas).
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Taller
Construcción de un dinamómetro
Materiales seis o siete pesas de 100 g cada una. Pueden fabricarlas uniendo monedas con cinta adhesiva. Midan su masa hasta obtener el valor indicado. un resorte de buena calidad, no muy duro, que se estire más o menos 1 cm cuando se cuelga de él una de las pesas una lata vacía de refresco hilo resistente una hoja de papel blanco un marcador rojo y uno negro
Procedimiento 1. Corten la lata de refresco por la mitad.
2. Fabriquen una canastita y asegúrenla con el hilo a uno de los extremos del resorte.
3. Cuelguen el resorte de una pared en la que hayan pegado la hoja de papel blanco. 4. Marquen en el papel una línea roja a la altura de la base de la canastita. 5. Agreguen con cuidado una pesa y hagan una nueva marca a la altura de la base de la canastita. 6. Repitan este procedimiento agregando las pesas de a una por vez, hasta la última. Tendrán una escala con tantas marcas como pesas colocaron. 7. Ahora coloquen un objeto cualquiera en la canastita y observen hasta qué parte de la escala se estira el resorte. a. ¿Por qué se estira el resorte? b. ¿La fuerza aplicada y la longitud del estiramiento del resorte son directamente proporcionales? c. ¿Entre qué valores se encontrará el peso del objeto que colocaron en la canastita, teniendo en cuenta que P = m • g?
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Muchos de los aparatos que se usan para medir fuerzas se basan en el equilibrio entre ellas. Si colgamos un cuerpo pesado del extremo de un resorte, este se estira. Cuando el cuerpo colgado permanece quieto es porque llegó al equilibrio. Es decir que la fuerza elástica que ejerce el resorte hacia arriba es igual al peso (fuerza deformante) con que la Tierra lo tira hacia abajo. Si agregamos cuerpos de igual peso, de a uno por vez, podremos confeccionar una escala a partir del estiramiento que se produce en el resorte. De esta manera tendremos un dinamómetro, instrumento que permite medir otras fuerzas de intensidad desconocida. Veamos cómo se construye uno.
LABORATORIO
Determinación de la constante de elasticidad de un resorte Si bien la fuerza elástica y la fuerza deformante siempre tienen sentidos opuestos, la respuesta a la misma fuerza deformante de distintos resortes es variable, es decir, cada resorte se estira o se comprime de modo diferente, dependiendo de factores como el tipo de material que lo constituye o su número de espiras. En virtud de esta característica, Hooke dedujo que el factor de proporcionalidad debía ser una constante que dependiera de cada resorte en particular, a la que denominó k. Entonces k es la constante elástica o coeficiente de elasticidad, y es mayor cuanto más resistente a la deformación sea el resorte. Más precisamente, k representa la fuerza elástica de cada resorte (Fe) o su oposición a estirarse o comprimirse. Su expresión matemática es: k = Fe/ l En esta experiencia calcularán la k del resorte con el que construyeron el dinamómetro en la actividad anterior. Consideren que, en este caso particular, el módulo de la fuerza elástica es igual al peso.
Materiales el dinamómetro construido en la página anterior las mismas seis o siete pesas de 100 g
una regla
Procedimiento 1. Coloquen nuevamente una pesa en la canastita del dinamómetro. Esta llegará a la primera marca de color negro. 2. Midan la longitud que hay entre la marca de color rojo y la primera marca de color negro. Es decir, midan el estiramiento del resorte con respecto a la posición de equilibrio. © Santillana S.A. Prohibida su fotocopia. Ley 15.913
3. Conviertan el valor de la pesa a kilogramos y la medida de la longitud a metros. 4. Repitan los pasos 1 y 2 para dos pesas, tres pesas y así sucesivamente. 5. A medida que los obtienen, registren los valores en la siguiente tabla. Recuerden que P = m • g. Masa (kg)
Fe (N)
Δl(m)
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
6. Representen gráficamente el peso en función del alargamiento del resorte. 7. Calculen la constante de elasticidad (k) para este resorte. a. ¿Por qué el valor k es propio de cada resorte? b. ¿Qué significado tiene la pendiente de la recta obtenida? ¿Qué unidades le corresponden? c. Si a dos resortes distintos se les aplica la misma fuerza deformante, ¿será posible que ejerzan una fuerza elástica de la misma magnitud? Intercambien opiniones. d. ¿Cómo sería la pendiente si se utilizara un resorte más elástico que con las mismas pesas experimentara deformaciones mayores? e. A partir del trabajo experimental realizado, expliquen cómo calibrarían un dinamómetro. f. ¿Cómo calcularían la constante de elasticidad de un resorte en el espacio, donde no hay gravedad?
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Conductividad térmica
Material
λ, en J/(s • K • m)
Plomo
34
Acero
47-58
Tungsteno
178
Aluminio
237
Oro
315
Cobre
372,1-385,2
Plata
406,1-418,7
F8 Tabla de conductividad térmica de distintos metales.
F6 Las manoplas y agarraderas se utilizan para manipular cuerpos calientes, debido a su capacidad termoaislante.
LA CONDUCTIVIDAD TÉRMICA DE LA MADERA Como la madera es un buen aislante térmico, aún suele utilizarse para revestir los mangos y las asas de los utensilios de cocina. Aunque esté caliente, se puede agarrar una cacerola con asas revestidas de madera y retirarla del fuego sin quemarse. Si las asas fueran de metal, seguramente nos quemaríamos. Debido a la baja conductividad térmica de la madera, algunas personas audaces se animan a caminar descalzas sobre brasas. Aunque la temperatura de las brasas sea alta, se transfiere relativamente poco calor a los pies, de la misma forma que se transfiere poco calor a través del aire cuando ponemos una mano por un momento dentro de un horno que está caliente. Aun así, ¡mejor no intentarlo!
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F7 El grafito es uno de los materiales que mejor conducen el calor.
Las asas de las ollas se construyen con materiales plásticos que casi no cambian de temperatura cuando el recipiente se calienta. Esto muestra que no todos los materiales se comportan de igual manera frente al flujo de calor. Entonces se pueden diferenciar dos tipos de materiales: los que conducen el calor o conductores térmicos y los que dificultan su propagación o aislantes térmicos. Entre los materiales que son muy buenos conductores térmicos están el grafito y el diamante, les siguen los metales, sobre todo la plata, el cobre y el oro. Entre los aislantes térmicos se pueden mencionar, además de la madera y los plásticos, la cerámica, el corcho, la lana y, sobre todo, el aire. Los líquidos suelen ser malos conductores térmicos. Se utilizan en distintos tipos de recipientes de cocina, en los radiadores de automóviles, en la parte inferior de las planchas y en otros elementos de uso doméstico e industrial que requieren que el calor fluya a través de ellos. Los aislantes térmicos F6, además de usarse en asas y mangos para utensilios de cocina, se emplean cuando se quiere impedir que el calor fluya a través de ellos, como en techos de viviendas y en la confección de ropa de abrigo. Por tanto la propiedad llamada conductividad térmica es la que determina si un material es un buen conductor del calor o no F7. ¿Se puede medir de alguna forma esta propiedad? Los científicos han calculado un valor de conductividad térmica ( ) para cada material, expresado en J/(s • K • m) F8. Es decir, la cantidad de calor de 1 julio (J) que se propaga a través de un material en 1 segundo, por una superficie de 1 metro cuadrado, por un grosor de 1 metro, cuando la diferencia de temperatura entre las dos caras es de 1 Kelvin (K). Este valor nos permite tener una idea de la capacidad que poseen determinados materiales para transmitir el calor. Cuanto mayor es el valor de , mayor es la capacidad que este tiene para transmitir el calor.
Tema 2
La dilatación térmica Los cambios de temperatura pueden afectar las propiedades de los materiales. A temperaturas muy bajas, por ejemplo, el acero se vuelve quebradizo y se rompe fácilmente, y los líquidos se solidifican o se hacen muy viscosos, ofreciendo una elevada resistencia a fluir. Por el contrario, cuando se incrementa la temperatura de un material, también aumentan sus dimensiones. Este fenómeno se conoce como dilatación térmica. A continuación veremos los tres tipos de dilatación que se pueden producir en un material sólido. Dilatación lineal de un sólido ( L) Considera una sola dimensión, como ocurre con el alargamiento de una barra de metal. La dilatación lineal: • es directamente proporcional a la longitud inicial (L0) de la barra; • es directamente proporcional a la variación de temperatura ( T) sufrida por la barra; • depende del tipo de material que constituye la barra. Su expresión matemática es: L = L0 •
To
Lo To To
L
• T L o L
donde es el coeficiente de dilatación lineal para cada material, expresado en °C–1.
Dilatación superficial de un sólido ( S)
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Está referida a dos dimensiones. Por ejemplo, cuando se calienta una chapa metálica se producen variaciones de tamaño en el largo y el ancho. La dilatación superficial: • es directamente proporcional a la superficie de la chapa (S0); • es directamente proporcional a la variación de la temperatura ( T); • depende del tipo de material que constituye la chapa. Su expresión matemática es: ΔS = S0• • T donde es el coeficiente de dilatación superficial para cada material expresado en °C–1 y es, aproximadamente, el doble del coeficiente de dilatación lineal ( ).
S0
b 5 2a
S
Esquema de la dilatación superficial de un sólido.
Dilatación volumétrica ( V) Corresponde a la variación de volumen de un material sólido cuando varía su temperatura. Si tomamos como ejemplo un paralelepípedo de acero, su dilatación volumétrica: • es directamente proporcional al volumen del paralelepípedo (V0); • es directamente proporcional a la variación de la temperatura ( T); • depende del tipo de material que constituye el paralelepípedo. Su expresión matemática es: ΔV = V0 • γ • ΔT donde γ es el coeficiente de dilatación volumétrica para cada material expresado en °C–1. Para variaciones de temperatura no muy elevadas γ es, aproximadamente, el triple del coeficiente de dilatación lineal ( ).
g 5 3a V0
V
Esquema de la dilatación volumétrica de un sólido.
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PERSPECTIVAS
La dilatación térmica en la vida cotidiana
Cuando algo impide la libre dilatación o contracción de un material, surgen fuerzas internas de tensión que pueden ocasionar su rotura o deformación. Por eso, y para evitar problemas, en muchas situaciones de la vida cotidiana se utilizan recursos para que la dilatación (o contracción) térmica se produzca sin inconvenientes.
En puentes, viaductos y grandes construcciones se emplean las llamadas juntas de dilatación. Ellas evitan que las variaciones de las dimensiones causadas por los cambios de temperatura dañen la estructura de concreto. Algunas veces, la junta de dilatación consiste en rodillos sobre los cuales la estructura se puede deslizar, compensando los efectos de la dilatación. En los pisos de parques y plazas se separan las placas de cemento con listones de madera o varillas de plástico que absorben eventuales dilataciones impidiendo que las placas se rajen.
Cuando se tienden los cables entre los postes en las calles o entre las torres de alta tensión, estos se colocan sin que queden tensos. De esta manera se evita que en el invierno, con la disminución de la temperatura, la contracción tense los cables al punto de romperlos. También es posible observar en los días calientes de verano que los cables entre los postes están más arqueados, por causa de la dilatación.
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En las vías ferroviarias, por ejemplo, los rieles se colocan con un espacio entre uno y otro para permitir la libre dilatación cuando varía la temperatura. Si eso no fuese previsto los rieles se podrían deformar debido a la tensión a la cual están sometidos. Existe actualmente una soldadura cuyo material absorbe las dilataciones, así los rieles pueden ser soldados uno a continuación del otro, sin espacios, minimizando los ruidos y la trepidación. Esta tecnología es utilizada en los rieles de los subterráneos y en algunas vías de ferrocarril.
En entubamientos largos, se colocan, de trecho en trecho, tubos formando codos, para posibilitar que ocurra dilatación o contracción térmica sin que haya daños.
En las estructuras sujetas a muchas variaciones térmicas, los materiales con un coeficiente de dilatación similar forman un buen conjunto. Es el caso, por ejemplo, del acero y el hormigón. Se dilatan y se contraen en conjunto, sin que estos fenómenos provoquen esfuerzos estructurales. La misma propiedad se observa entre la amalgama (mercurio, plata, estaño y cobre) utilizada en las obturaciones dentales y los dientes.
El termostato
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Un termostato es un dispositivo compuesto por dos láminas de metales con diferente coeficiente de dilatación. Se emplea para regular la temperatura de un motor o un ambiente, por ejemplo. Su funcionamiento se basa en la dilatación, pues al incrementarse la temperatura, las láminas se abren deformándose de manera diferente; y cuando la temperatura baja, las láminas vuelven a su forma original permitiendo nuevamente el cierre de los contactos. En el esquema se puede observar un dispositivo constituido por dos láminas superpuestas de dos materiales diferentes (latón y acero). Cuando se calientan, las láminas se dilatan. Como cada material tiene un coeficiente de dilatación diferente y las láminas están juntas, los esfuerzos que surgen con el calentamiento arquean el conjunto para el lado de la lámina de menor coeficiente de dilatación lineal. El calentamiento de las láminas ocurre por el pasaje de corriente eléctrica, que queda interrumpida cuando las láminas se curvan. Con la interrupción de la corriente eléctrica las láminas se enfrían y se rehace el contacto.
Acero
El contacto se interrumpe
Contacto eléctrico
La resistencia se enfría
La resistencia se calienta Latón
Conexión a la red eléctrica
Conexión a la red eléctrica
+
+
–
–
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Dilatación de los líquidos Líquidos
(°C–1)
Agua
1,3 • 10–4
Mercurio
1,8 • 10–4
Glicerina
4,9 • 10–4
Benceno
10,6 • 10–4
Alcohol etílico
11,2 • 10–4
Acetona
14,9 • 10–4
La dilatación térmica de los líquidos está referida solo a la dilatación volumétrica, debido a que los líquidos no tienen forma propia, sino que adoptan la del recipiente que los contiene. La dilatación volumétrica ( V), al igual que en los sólidos, es directamente proporcional al volumen inicial del líquido (V0) y a la variación de temperatura ( T). Como la dilatación también depende del tipo de líquido, debemos tener en cuenta el coeficiente de dilatación real del líquido ( ) expresado en °C–1 F9. Entonces: ΔV = V0 • γ • ΔT
F9 Coeficiente de dilatación real de algunos líquidos.
Dilatación anómala del agua Algunas sustancias, como el hierro, el bismuto o el antimonio y, en especial, el agua, presentan en determinados rangos de temperatura un comportamiento irregular con relación a las variaciones térmicas. En el caso específico del agua, en el intervalo de 0 °C a 4 °C el aumento de temperatura provoca una contracción del volumen, mientras que a partir de los 4 °C el aumento de temperatura provoca una dilatación. Así, la fusión del hielo produce una reducción de volumen cercana al 10 %. Por el contrario, la solidificación del agua produce un aumento del volumen.
Variación del volumen del agua por unidad de masa entre 0 °C y 10 °C
Variación de la densidad del agua entre 0 °C y 10 °C
Densidad (g/cm3)
cm3/g
1,00000
1,00025
0,99995
1,00020
0,99990
1,00015
0,99985
1,00000
0,99975 0,99970 0
2
4
6
8
10
(°C)
0
2
4
6
8
10
(°C)
Algunas consecuencias de ese comportamiento anómalo del agua se verifican en la naturaleza. En las regiones más frías de nuestro planeta, la llegada del invierno provoca el congelamiento de la superficie de los lagos, pero ¿por qué no de toda el agua del lago? El agua líquida cercana a 0 °C es menos densa que el agua alrededor de los 4 °C. Entonces se ubica en la superficie del lago y comienza a congelarse. Como el hielo es un mal conductor del calor, el agua líquida que está debajo cede menos calor al ambiente, lo que posibilita el mantenimiento de la vida hasta la llegada de la primavera. Si alguna vez olvidaste una botella de vidrio llena de agua o jugo en el congelador, después de un tiempo habrás observado algo similar a lo que muestra la imagen. ¿Podrías explicar por qué sucedió esto?
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1,00005
0,99980
La medida de la temperatura La temperatura es una característica de un material en un momento determinado y nos da una idea de cuán «frío» o «caliente» se encuentra. Como la dilatación térmica y la contracción térmica de un material son directamente proporcionales al incremento o disminución de su temperatura, estas propiedades se aprovechan en el funcionamiento de un instrumento adecuado para medir la temperatura: el termómetro. Un termómetro consta de un tubo delgado cerrado, denominado capilar, que contiene un líquido (generalmente, alcohol con colorante o mercurio). Este tubo se ensancha en el extremo formando un bulbo. También tiene una escala graduada que, en nuestro país, indica la temperatura en grados centígrados (°C), también llamados Celsius. En esta escala, 0 °C es la temperatura a la que se congela el agua, mientras que a 100 °C hierve. Cuando el bulbo del termómetro entra en contacto con un cuerpo a mayor temperatura que él, su contenido también incrementa la temperatura y se dilata hasta llegar a un equilibrio. Cuando, por el contrario, el bulbo entra en contacto con un cuerpo a menor temperatura, su contenido disminuye la temperatura y se contrae. De acuerdo con el rango de temperatura que se quiere medir, los termómetros se clasifican en: » Termómetro clínico. Se utiliza para medir la temperatura corporal. El más tradicional contiene mercurio. En él, junto al bulbo, hay un estrechamiento que no impide el movimiento de la columna líquida cuando la temperatura sube, pero si la temperatura disminuye, el mercurio no retorna al bulbo y continúa indicando la mayor temperatura que fue medida. Para poder usarlo nuevamente, el termómetro debe ser sacudido vigorosamente, de manera que el mercurio retorne al bulbo. El termómetro clínico está graduado habitualmente entre 35 °C y 42 °C, porque esos valores corresponden aproximadamente a los límites extremos de temperatura del cuerpo humano.
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Bulbo
Estrangulamiento
Escala
Capilar
Termómetro clínico.
» Termómetro de laboratorio. Su escala tiene una apreciación de 1 °C y va de
–10 °C a 200 °C. Está fabricado así porque en el laboratorio se miden sustancias que están dentro de este rango de temperaturas. Bulbo
Capilar
Escala
Termómetro de laboratorio.
» Termómetro ambiental. Se utiliza para medir la temperatura del aire. Pue-
de contener alcohol o mercurio en su interior. Su escala tiene una apreciación de 0,5 °C. El rango abarca desde temperaturas bajo cero hasta las cercanas a los 50 °C.
Investiga por qué los termómetros de mercurio se están reemplazando por los de alcohol o los electrónicos. Realiza un informe para compartir con tus compañeros.
Termómetro ambiental.
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Taller
Construcción y utilización de un termómetro casero En esta experiencia construirán un termómetro casero y medirán la temperatura en diferentes situaciones.
4. Corten una de las botellas de 2 l de manera que sirva de contenedor para el termómetro, como muestra la foto.
Materiales
5. Llenen de agua caliente el espacio entre las dos botellas y esperen dos minutos. Luego marquen una nueva línea, siempre del mismo lado del sorbete.
hielo agua una botella de plástico de 1 l un sorbete plástico transparente plasticina
colorante para alimentos de color azul o rojo
6. Repitan esta operación cada 2 minutos durante 10 minutos, registrando los datos en la carpeta dentro de un cuadro similar al siguiente:
un reloj con segundero
una regla
dos botellas de gaseosa de 2 l vacías y limpias una tijera o un cuchillo
Tiempo (min)
un marcador negro
Mediciones (mm)
2 4
Parte A Procedimiento
2. Hagan un tapón con la plasticina: formen un cilindro del tamaño de un lápiz, achátenlo y péguenlo a una cinta gruesa. Luego enrosquen la cinta en la mitad del sorbete, como muestra la foto. 3. Pongan el sorbete en la botella y utilicen la plasticina para sellarla. Presionen para que el nivel del agua quede por encima del sorbete y se lo pueda ver. Luego, con el marcador, hagan una línea finita para marcar hasta dónde llega el agua. Ya tienen listo el termómetro.
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8 10
a. ¿Qué sucede con la columna de agua? ¿Por qué? b. ¿Dejará de subir el agua en algún momento? ¿Por qué? Hagan la prueba. c. Realicen un gráfico en el que el eje horizontal (x) corresponda al tiempo en minutos y el eje vertical (y), a las mediciones en milímetros.
Parte B 1. Retiren el termómetro de la botella grande. 2. Corten la segunda botella de 2 l y coloquen el termómetro adentro. Pongan el hielo y agua helada en el espacio que queda entre las dos botellas. a. ¿Qué le sucede a la columna de agua? ¿Cómo podrían explicarlo? b. ¿Dejará de bajar el agua en algún momento? Hagan la prueba.
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1. Llenen la botella de 1 l hasta el borde con agua de la canilla. Luego agréguenle cuatro gotas del colorante y mezclen bien.
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Tema 3
Propiedades eléctricas Los materiales pueden dejar pasar la corriente eléctrica o no. Se llaman conductores de la electricidad si permiten su paso, y aislantes si lo impiden. El valor de conductividad eléctrica ( ), expresado en Ω–1•m–1 (como la inversa de la resistividad), nos da una idea de la mayor o menor capacidad que tienen los materiales para conducir la electricidad F10. Los metales son buenos conductores (plata, cobre, oro, aluminio, estaño), y también lo es el grafito, aunque no es un metal. En cambio, la mayoría de los plásticos, la goma, la madera, el corcho y el cartón son aislantes. Por eso los contactos en un artefacto eléctrico o en una linterna son de metal. Y los cables, enchufes y otras partes de esos artefactos se recubren de plástico u otro material aislante.
Los circuitos eléctricos Para que la corriente eléctrica pueda circular por un conductor (cable), este debe formar parte de un recorrido denominado circuito eléctrico. Este recorrido es continuo y cerrado. Si el circuito eléctrico se interrumpe en alguna parte, la corriente no puede circular. Los elementos típicos de un circuito eléctrico son: » Una fuente que provee la energía para que se produzca una corriente eléctrica. Por ejemplo, una pila. » Los conductores que transportan la corriente eléctrica. En este caso, los hilos de cobre de los cables y los conectores metálicos. » Una resistencia que dificulta el paso de la corriente eléctrica. Por ejemplo, una lamparita. » Un interruptor que cierra o abre el circuito permitiendo o no la circulación de la corriente y su retorno a la fuente. Por ejemplo, el interruptor de un velador.
Material
(Ω–1• m–1)
Parafina
3,37 • 10–17
Teflón
< 10-13
Vidrio
10–10 a 10–14
Agua potable
0,0005 a 0,05
Agua de mar
5
Carbono
2,8 • 104
Hierro
1,53 • 107
Oro
4,55 • 107
Cobre
5,96 • 107
Plata
6,30 • 107
F10 Tabla de conductividad eléctrica de distintos materiales.
© Santillana S.A. Prohibida su fotocopia. Ley 15.913
Interruptor
Pila o generador de energía eléctrica
Cable conductor
Lámpara
LOS MATERIALES SUPERCONDUCTORES Los superconductores son materiales que poseen una extraordinaria capacidad de conducir la corriente eléctrica. El fenómeno de la superconductividad se observó en ciertos metales y cerámicos a temperaturas extremadamente bajas. Esta circunstancia dificulta su aplicación, pues es muy costoso mantenerlos a esa temperatura, más aún si se pretende hacerlo a escala industrial. El hallazgo de este tipo de materiales abrió perspectivas interesantes en la ciencia y la tecnología. Se pensó en aplicarlos en numerosas situaciones en las que es probable que generen innovaciones revolucionarias; por ejemplo, se podrían emplear para fabricar supercomputadoras aprovechando el incremento en la velocidad de procesamiento electrónico que permitirían. A mediados de la década de 1980 se logró obtener un material cerámico superconductor a una temperatura no demasiado inferior a la de un freezer. Lamentablemente, hoy la concreción de las posibles aplicaciones se complica, entre otras razones porque los materiales cerámicos son muy frágiles, y esto constituye un serio obstáculo que la investigación debe superar.
Levitación magnética de un superconductor.
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Taller
Construcción de circuitos eléctricos sencillos En el interior de los artefactos eléctricos que vemos a nuestro alrededor hay circuitos. Pero ¿cómo deben conectarse los elementos de un circuito para que se encienda una lamparita?
3. Una vez armado y conectado a las pilas, observen qué características tiene el brillo de la luz producida por la lamparita (intenso o débil) y anoten.
Les proponemos armar algunos circuitos eléctricos sencillos para analizar lo que ocurre en cada caso y comparar los resultados con lo estudiado.
4. Corten uno de los dos cables del circuito anterior, pelen ambos extremos y únanlos con el hilo de lana. Registren lo que ocurre.
Materiales
5. Realicen el mismo procedimiento con el resto de los materiales. Registren lo que ocurre en cada caso.
clips para sujetar los cables alicate para pelar los cables cinta aisladora dos pilas comunes (medianas o grandes) dos lamparitas de linterna que puedan soportar 3,3 V, con sus respectivos portalámparas un interruptor un metro de cable hilo de lana, alambre de cobre, cubierta de birome, escarbadientes de madera, banda elástica, papel de aluminio, cucharita de acero, hilo de algodón
6. Ahora armen un circuito con las lamparitas conectadas en serie. Para ello desconecten el cable que une las pilas con la lamparita y agreguen otra lamparita, como muestra la imagen. Observen el brillo de la luz producida por las lamparitas y anoten qué características tiene. Desenrosquen una de las lamparitas y registren lo observado. 7. Finalmente, armen un circuito con las lamparitas en paralelo. Para ello tomen como referencia el circuito que aparece en la imagen. Observen el brillo que producen las lamparitas y anoten su característica. Desenrosquen una de ellas y registren lo que observan. © Santillana S.A. Prohibida su fotocopia. Ley 15.913
un cuadrado de espuma plast de 15 cm × 15 cm y de entre 1 cm y 2 cm de espesor
Procedimiento 1. Corten los cables y pélenlos en los extremos.
a. De los materiales de la lista, ¿cuáles resultaron ser conductores y cuáles no? 2. Para armar el circuito tomen como referencia el que muestra la imagen. Cerciórense de que las pilas hagan buen contacto. Sujeten los cables a la espuma plast con los clips. Si es necesario, sujeten el cable a la pila con cinta aisladora.
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b. ¿Qué sucedió con el brillo de las lamparitas conectadas en serie? ¿Y cuando desenroscaron una de ellas? c. ¿Qué ocurrió cuando desenroscaron una de las lamparitas del circuito en paralelo?
Otras propiedades intensivas » Estado de agregación. Es el estado físico en el que se encuentra un mate-
rial a temperatura ambiente o a otras temperaturas, y a presión normal o a otras presiones. Por ejemplo, el mercurio se encuentra en estado líquido a temperatura ambiente F11. » Solubilidad. Es la capacidad que tiene un material de disolverse en un solvente determinado a cierta temperatura. » Viscosidad. Nos da una idea de cuán rápido puede fluir un líquido F12. » Densidad. Es la relación que existe entre la cantidad de materia que tiene un cuerpo (masa) y el espacio que ocupa (volumen). Imagina por un momento el espacio que ocupa un bulón de hierro que pesa 300 g. Ahora piensa en un objeto de tamaño similar hecho de corcho, como los que tapan una botella de sidra. Podrás suponer que pesa mucho menos que el bulón aunque ocupa aproximadamente el mismo espacio. Podemos decir, entonces, que el hierro es mucho más denso que el corcho, porque para un determinado volumen de hierro la masa es mayor que para el mismo volumen de corcho. Para calcular la densidad de un cuerpo primero debemos conocer su masa y su volumen, y a continuación aplicar la ecuación:
Conexión web Para comprender viscosidad y densidad como propiedades de la materia: goo.gl/v9NLe3
densidad ( ) = masa/volumen
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» Flotabilidad. Es la capacidad que tiene un material de «sostenerse» en la
superficie de un líquido. Un cuerpo también puede flotar en un gas, como ocurre con un globo inflado con gas helio que permanece suspendido en el aire. La flotabilidad está directamente relacionada con la densidad de ambos materiales. El material menos denso flota en el más denso, siempre que este último sea un líquido o un gas. El helio flota en el aire porque es menos denso que el aire, así como el aceite es menos denso que el agua. Para el ejemplo anterior del tornillo y el corcho, si colocamos a ambos en un recipiente con agua veremos que el corcho flota F13, mientras que el tornillo se hunde. » Propiedades magnéticas. Es la capacidad que tienen ciertos materiales, como algunos metales, de ser atraídos o repelidos por un imán F14. » Propiedades ópticas. Los materiales se clasifican en transparentes, si permiten fácilmente el paso de la luz que reciben; translúcidos, si solo dejan pasar parte de la luz, y opacos, cuando no permiten el paso de la luz a través de ellos. F11 El mercurio se encuentra en estado líquido a temperatura ambiente.
F12 La miel es altamente viscosa.
F13 La flotabilidad de un material en otro está relacionada con la densidad de ambos materiales.
F14 Algunos materiales, como el acero, tienen propiedades magnéticas.
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ACTIVIDADES 1 Responde las preguntas. a. ¿Qué diferencia hay entre propiedades intensivas y extensivas? Indica dos ejemplos de cada una.
Intensivas
5 Lee atentamente, luego resuelve:
Extensivas
b. ¿Podrías mencionar tres propiedades intensivas del vidrio y de la arena?
Arena
Vidrio
Hacia fines del siglo XIX, Thomas Alva Edison consiguió, tras muchísimos intentos, un filamento que se volvía incandescente sin fundirse, y lograba, de ese modo, producir una lamparita similar a la que hoy conocemos como lamparita común o incandescente.
c. Además de servirnos para distinguir un material de otro, ¿para qué otra cosa crees que puede resultarnos útil conocer las propiedades intensivas de un material? d. ¿Qué propiedades intensivas debería tener un material que queremos utilizar para hacer un tobogán que se encuentra al aire libre? e. ¿Qué son las propiedades organolépticas y cuál es su aplicación científica e industrial? f. ¿Un termo sirve para mantener bebidas calientes o frías? 2 Define las siguientes propiedades de los materiales y señala algún objeto que se caracterice por poseerlas. a. Conductividad térmica. b. Tenacidad. c. Resistencia a la torsión. d. Plasticidad. 3 Menciona qué materiales utilizarías para fabricar los siguientes objetos. Luego, indica dos propiedades de cada uno de los materiales elegidos: • remera, • olla, • ventana, • cable eléctrico, • mesada, • un recipiente para contener helado, • un cucharón para servir sopa.
¿Se habrá planteado Edison el problema de la conductividad eléctrica y térmica de los metales para desarrollar este invento? Justifica tu respuesta. 6 Un fabricante de calzado de montaña quiere conseguir una bota muy liviana. Puede escoger entre uno de estos tres materiales: poliuretano, goma y poliéster. La densidad de cada material es la siguiente: poliuretano = 30 kg/m3, goma = 25 kg/m3 y poliéster = 28 kg/m3. a. ¿Qué masa de material necesitará en cada caso, si la bota tiene un volumen de 750 cm3? b. ¿Cuál será el material más apropiado para fabricar la bota más liviana? 7 Dos láminas metálicas, una de latón (en marrón) y la otra de acero (en gris), de la misma longitud a temperatura ambiente, se sueldan entre sí. La lámina bimetálica es calentada por encima de la temperatura ambiente y después enfriada por debajo de la temperatura ambiente. ¿Cuál de las figuras de la columna izquierda representa mejor la primera situación y cuál de la columna derecha representa mejor la segunda situación? Ten en cuenta que el coeficiente de dilatación térmica lineal del latón es mayor que el del acero. a.
b. 4 Resuelve las consignas. a. Describe dos situaciones que ejemplifiquen cuerpos que son incapaces de recuperar su forma luego de que se les ha aplicado una fuerza. b. ¿Cómo varía la elasticidad de un cuerpo si se incrementa la fuerza deformante? c. Describe los efectos que puede tener un golpe de martillo sobre una barra de plasticina, una ventana de vidrio, un neumático y un clavo.
c.
d.
e.
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8 Una barra de latón tiene una longitud de 90 m a 10 °C. Determina la dilatación lineal y la longitud final de la barra cuando se la calienta hasta los 60 °C ( = 19 • 10–6°C–1).
14 Busca información sobre los rangos de temperatura (temperatura mínima y máxima que se pueden medir) utilizados en los termómetros clínicos, de laboratorio y ambientales. Investiga por qué los termómetros de mercurio se están reemplazando por los de alcohol o los electrónicos. Arma un informe para compartir con tus compañeros.
9 Lee con atención, observa el gráfico y elige la opción correcta.
Agua
V
Material del recipiente
0
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4
T (oC)
De acuerdo con el gráfico, es correcto afirmar que: una disminución de la temperatura hará que el agua se desborde; ni un aumento ni una disminución de la temperatura provocarán el desborde del agua; el agua recién se desbordará cuando llegue a temperaturas bajo cero. 10 Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas (V) o falsas (F). En el caso de las falsas, da la respuesta correcta. El cobre es un buen conductor de la corriente eléctrica. Un mal conductor es un buen aislante. Un mal aislante es un buen conductor. La corriente eléctrica está constituida por electrones en movimiento. La goma y el vidrio son materiales aislantes. 11 Para construir la ventana que da a la calle en una vivienda en una zona donde los inviernos son muy fríos, ¿qué utilizarías: un vidrio o dos vidrios separados por aire? ¿Por qué? • Conductividad térmica del vidrio: 0,8 J/s • K • m • Conductividad térmica del aire: 0,02 J/s • K • m 12 Sabemos que la densidad es una propiedad intensiva de los materiales y que se define como la relación entre la masa y el volumen. a. Determina, entonces, cuál es la densidad del cuarzo si 5.200 kg ocupan un volumen de 2 m3. b. ¿Qué volumen ocuparían 300 kg de madera de cedro si su densidad es de 570 kg/m3? 13 Cuando ocurren accidentes marítimos en barcos o plataformas petroleras, muchas veces se vierten grandes cantidades de petróleo al mar. a. ¿Se mezclan el petróleo y el agua salada? b. ¿La densidad del petróleo es mayor, igual o menor que la del agua? ¿Por qué?
15 Coloca en el siguiente párrafo las palabras según corresponda. masa, sólido, materia, gaseoso, líquido, materiales, propiedades Todo lo que existe en el universo está formado por , que es aquello que ocupa un lugar en el espacio y tiene . Cada tipo de materia presenta diferentes y puede encontrarse en la naturaleza en alguno de los tres estados: , o . A las diferentes formas en que se presenta la materia se las denomina . 16 Lee el texto y luego elige la opción correcta. No hay certeza sobre quién inventó el primer aparato capaz de brindar alguna información sobre la temperatura de los cuerpos, pero sí sobre su nombre: termoscopio. El termoscopio consta de un tubo de vidrio vertical, parcialmente lleno con un líquido coloreado, con un bulbo en su extremo superior. El otro extremo se encuentra sumergido en el mismo líquido contenido en un recipiente, en contacto con el aire. Si se desea verificar la temperatura de un cuerpo se lo pone en contacto con el bulbo y se observa que: Un cuerpo más caliente hará subir la columna líquida debido a la dilatación térmica del líquido contenido en el tubo. Un cuerpo más caliente hará descender la columna líquida debido a una contracción térmica del líquido en el interior del tubo. Un cuerpo más frío hará subir la columna líquida debido a la disminución de la presión del aire contenido en el bulbo. Un cuerpo más frío hará descender la columna de líquido en el interior del tubo debido a la contracción térmica. Un cuerpo más caliente hará descender la columna de líquido debido al aumento de la presión atmosférica en el fluido. 17 Decide si las siguientes afirmaciones son verdaderas (V) o falsas (F). Justifica tus respuestas. Como el coeficiente de dilatación lineal del aluminio es 2,3 · 10–5 °C–1, entonces una barra de este material sufre una expansión de 23 cm al ser calentada a 100 °C. El coeficiente de dilatación lineal es una característica de cada material. Dos barras del mismo material tienen la misma variación de longitud si la variación de temperatura es la misma. Una vez que una barra se expande no retorna a su longitud inicial.
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