Mtro. J.A.E.L

Presentación. Esta segunda edición se desarrolló con la finalidad de que los profesores y alumnos de nivel medio superior lo puedan utilizar como material de apoyo, ya que se ajusta a la metodología correspondiente al Bachillerato por Competencias.

Con este material se pretende lograr que el lector adquiera habilidades y competencias establecidas en el plan de estudios de esta unidad de aprendizaje mediante el análisis y la interpretación de los fenómenos físicos. Además de que se propone una estructura novedosa y atractiva para el estudiante de este nivel, ya que lo motiva a descubrir por sí mismo sus necesidades y generar su propio conocimiento mediante un aprendizaje activo.

Así mismo, se incluyen diferentes tipos de actividades y ejercicios prácticos, tales como: 

Ejercicios prácticos.



Ejemplos y actividades resueltas.



Situaciones reales analizadas mediante la física, lo cual hace muy interesante y atractivo el estudio de los mismos.



Entre otros.

Para finalizar, solo queremos expresarle que este medio de aprendizaje ayudará en gran medida a las personas que estén interesadas en la física, ya que los alumnos al contar con este tipo de material podrán adquirir bases sólidas y una buena cimentación en conocimientos sobre esta área, lo cual le beneficiará en un futuro y le será de gran utilidad.

De igual manera esperamos que este libro sea de su agrado, pero principalmente ayude en la formación, obtención de herramientas y generación de capacidades en los jóvenes, con el propósito de que puedan incorporarse a una licenciatura de una manera exitosa al finalizar sus estudios de Educación Media Superior.

Objetivo General 2

El alumno al término de esta unidad de aprendizaje, tendrá la capacidad de aplicar sus conocimientos, aptitudes, destrezas para la comprender las diferencias entre calor y temperatura, causas que originan la dilatación de los cuerpos sólidos, líquidos y gaseosos, relacionar las leyes de los gases con ejemplos prácticos.

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MÓDULO I

ENERGÍA TÉRMICA

Objetivo de aprendizaje Identificar claramente los conceptos y diferencias de calor, temperatura y formas de transferencia de calor relacionándolos con su vida cotidiana. Competencias del módulo

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ACTIVIDAD PRELIMINAR 1.0 ¿Es lo mismo calor y temperatura? Analiza y contesta las siguientes preguntas basándote únicamente en tus conocimientos previos. 1.- ¿Qué entiendes por energía? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 2.- ¿Cuántos tipos de energía conoces? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 3. ¿Es lo mismo calor y energía calorífica o térmica? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 4.- ¿Qué es el calor y en qué unidades se mide? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 5.- ¿Cómo se mide la cantidad energética de los alimentos en sus etiquetas, y qué significa esa unidad? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 6.- ¿Qué es la temperatura y en qué unidades se mide? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 7.- ¿Qué es y para qué sirve el termómetro? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 8.- ¿Has utilizado termómetros en tu vida?, explica ¿para qué? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 5

9.- Los termómetros están graduados en una escala, ¿los que utilizamos en México en qué escala están graduados? y los que utilizan en USA, ¿se miden en la misma escala o tienen otro nombre?, ¿cuál se utiliza en el laboratorio o en trabajos científicos? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ___________________________________________________ 10.- ¿Cuál es la diferencia entre calor y temperatura? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ______________________________________________ 11.- En tu vida cotidiana, en especial el día de hoy ¿utilizaste la energía térmica?, ¿en qué procesos y para que la utilizaste?, anota por lo menos 3 casos. __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________ 12.- ¿Qué entiendes como transmisión del calor? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ___________________________________________________ 13.- ¿Para qué se coloca un mango de diferente material en los sartenes para guisar? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ____________________________________________________ 14.- ¿Cómo se elabora un termómetro? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________ 15.- ¿Todos los cuerpos tienen calor? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ___________________________________________________ 16.- ¿El frío de un helado puede pasar a tu mano? 6

__________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ____________________________________________________

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ENERGÍA TÉRMICA Todos en algún momento de nuestra vida hemos escuchado hablar sobre la energía, ya que cuando nos sentimos cansados decimos que no tenemos energía para realizar alguna actividad, en los alimentos decimos que nos proporcionan energía, el sol nos proporciona energía, es decir todo es energía, ya que se encuentra en nuestro cuerpo, lugares o cosas. El concepto de energía es uno de los más importantes en nuestra vida, para todo necesitamos energía, por ejemplo para trasladarnos de un lugar a otro se necesita combustible, para calentar las tortillas en la estufa necesitamos gas, para encender la computadora necesitamos energía eléctrica, etc, como vemos la energía es muy importante en nuestra vida.

Unidades básicas para medir el calor Puesto que el calor es una forma de energía, las unidades de calor pueden ser: Calorías,

kilocalorías, BTU y joule (Nm).

Equivalente mecánico del calor. Como vimos en temas anteriores, que el calor es una forma de energía, por lo tanto con las unidades de energía podemos medir el calor, ó viceversa, es decir las unidades del calor son las mismas unidades que la energía. Joule estableció el principio llamado equivalente mecánico del calor en el cual se demuestra que por cada joule de trabajo se producen 0.24 calorías y que cuando una caloría de energía térmica se convierte en trabajo se obtiene 4.2 joule. Por lo tanto: 1 cal = 4.2 J 1 J = 0.24 cal

Caloría: Es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua de 14.5 °C a 15.5 °C, o sea un grado celsius. Kilocaloría: Equivale a 1,000 calorías. BTU (Unidad Térmica Británica): Es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una libra de agua a un grado Fahrenheit. 1 BTU = 252 cal = 0.252 Kcal Temperatura: Es la propiedad que tienen los cuerpos y que nos indican qué tan caliente o frío se encuentra un cuerpo. En otros términos, la temperatura se puede definir como ―El promedio de la energía cinética (energía térmica) de las moléculas de una sustancia.

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DIFERENCIAS ENTRE CALOR Y TEMPERATURA o El calor depende de la masa de la sustancia y la temperatura no. o El calor se mide en calorías, BTU, joule, mientras que la temperatura en grados (ºC, ºF, ºK, ºR). o La temperatura depende de la velocidad que se muevan las moléculas. o El calor es una manifestación de energía y la temperatura no. o La temperatura indica solamente qué tan caliente o frío se encuentra un cuerpo. o El calor es la suma total de la energía cinética de las moléculas y la temperatura es el promedio de la energía cinética de las moléculas.

Dos cuerpos de diferentes masas pueden tener la misma temperatura pero diferente cantidad de calor. Por ejemplo, un vaso y una jarra con agua pueden tener la misma temperatura pero diferente cantidad de calor, pues el que tiene mayor masa tiene más cantidad de calor, ya que ésta depende de su masa.

20 ºC

Figura 1.1 Muestra claramente que la temperatura no depende de su masa sino del promedio de la energía cinética de las moléculas, mientras que el calor depende de la suma de esa energía cinética, obviamente quien tenga mayor masa tendrá mayor calor.

20 ºC

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RELACIÓN ENTRE CALOR Y TEMPERATURA Calor y temperatura son dos conceptos diferentes que van muy de la mano, es decir, se relacionan uno con el otro, por ejemplo, para que haya calor debe de haber diferencias de temperatura, puesto que el calor es la energía que se transmite de un cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura, es decir, entre mayor diferencia de temperatura haya mayor energía se transmite; y si a un cuerpo le inyectamos calor aumenta su temperatura.

Física en nuestro hogar El valor energético de los alimentos es igual al calor que se desprende cuando éstos se queman, el cual se mide en calorías. Como su valor resulta muy pequeño, en dietética se toma como medida la kilocaloría (1 Kcal = 1000 calorías). En ocasiones, y erróneamente, a las kilocalorías también se les llama Calorías (con mayúscula). Cuando escuchemos decir que un alimento tiene 100 Calorías, en realidad debemos interpretar que dicho alimento tiene 100 kilocalorías por cada 100 g. de peso. Las dietas de los humanos adultos contienen entre 1000 y 5000 kilocalorías por día.

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Fig. 1.3 La física en tu salud Para un nutriólogo, una persona que come una manzana consume 52 Ç Calorías, y para un físico produce 52, 000 calorías quemadas.

Calorías quemadas en ejercicios físicos: Actividad Bailar Ciclismo Nadar Correr Pasear Yoga Subir escalera Bajar escalera Pintar Esquiar

0.07 0.064 0.128 0.07 0.051 0.062 0.254 0.097 0.048 0.152 Tabla 1.1 En actividades cotidianas:

Actividad Dormir Leer Ducharse Planchar Barrer Montar a caballo Conducir moto Escribir en la computadora

0.015 0.018 0.046 0.063 0.031 0.107 0.053 0.037

Tabla 1.2

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Calorías en bebidas: Bebida Agua Gaseosa ligth Café Cerveza sin alcohol Té Refresco de cola Refresco de naranja o de limón Refresco de lima-limón

Chuleta de cerdo Pechuga de pollo asada Almendras Naranja Plátano Uva Huevo frito Leche con chocolate Spagettis hervidos

Cantidad 100 ml 100 ml 100 ml 100 ml 100 ml 100 ml 100 ml

Calorías 0 1 2 15-20 (botellín de 1/5 = 30-40 cal) 2 42 [lata de cola (350 ml) = 147 cal] 52 [lata de naranja o de limón (350 ml) = 182 cal) 100 ml 33 [lata de sprite (350 ml) = 115 cal] Tabla 1.3 100g. 100g.

336 cal 109 cal

10 unidades (100g.) 100g. 100g. 100g. Unidad 1 vaso (150ml) 1 plato (160g.) Tabla 1.4

640 cal 42 cal 122 cal 76 cal 108 cal 185 cal 233 cal

Equivalencias: Un vaso de agua = 200 ml. Un vaso de vino = 100 ml. Una lata = 350 ml. Una botella de refresco o cerveza = 200 ml. Un botella de refresco o cerveza = 330 ml. Una copa = la cantidad depende del tipo de copa y bebida, generalmente va de 35 a 70 ml. Para calcular las calorías que se queman en una actividad podemos usar la siguiente fórmula: ; donde: Q= Cantidad de calor (cal) m= Masa (kg) t = Tiempo en minutos k= Calor que se queman por kg y por hora (

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Ejemplo 1: ¿Cuántas calorías quema una persona de 80 kg de masa, al pasear en bicicleta durante tres horas? Solución Datos e incógnitas:

Fórmula (

Sustitución y operaciones ( (

m = 80 kg t = 2 h = 2(60 min) =120 min kciclismo= 0.064 Solución. Se queman 614.4 calorías al pedalear durante 2 horas.

Ejemplo 2: Una persona de 75 kg de masa al realizar una actividad física durante media hora quema 288 calorías ¿De qué actividad física se trata? Solución Datos e incógnitas:

Fórmula

m = 75 kg

Despeje y Sustitución

(

(

t = 0.5 h = (0.5)(60) =30 min k= ? Q=288 cal. Acudiendo a la tabla 1.2 podemos ver que la actividad física es nadar. Solución. Nadar

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Actividad 1: Resuelve los siguientes ejercicios. 1.- Tomando como base tu peso, ¿cuánto tiempo necesitas nadar para quemar lo consumido en un huevo frito?

2.- Una persona cuya masa es de 82 kg, ¿cuánto tiempo necesita correr para poder quemar las calorías que consumió al comer 250 g. de chuleta de cerdo?.

3.- ¿Cuántas calorías quema una persona de 59 kg que baja escaleras durante 42 minutos?

4.- ¿Cuántas calorías quema una bailarina de 50 kg con 2 horas de entrenamiento?

5.- ¿Cuántas horas debe pintar una persona de 89 kg para quemar 2050.56 cal?

6.-Una persona quema 5376 cal al nadar durante 10 hrs. ¿Cuánto tiene de masa?

7.-Una persona de 75 kg, consume 50 g. de muslo de pollo. ¿Cuánto tiempo necesita correr para quemar las calorías consumidas?

8.- ¿Cuánto tiempo debe correr una persona de 45 kg al consumir 150 g. de chuleta de cerdo y 50 g. de plátano? 9.- ¿Cuántas calorías debe consumir una persona de 55 kg, para poder nadar durante 45 min y correr durante 2.5 hrs.?

10.- ¿Cuántas calorías consume una joven de 35 kg al tomar 300 ml de café, 250 g. de pechuga de pollo asada y 150 ml de té?

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LA TEORÍA CINÉTICO MOLECULAR Y LOS ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA Según esta teoría todo lo que nos rodea está formado por partículas muy pequeñas, que son invisibles aún en los mejores microscopios y que se llaman moléculas. Las moléculas están en continuo movimiento y entre ellas existen fuerzas atractivas, llamadas fuerzas de cohesión. Las moléculas, al estar en movimiento, se encuentran a cierta distancia unas de otras. Entre las moléculas hay espacio vacío. Cuando aumenta la temperatura, las moléculas se mueven más rápido. La materia se puede presentar en: 1.-Estado sólido: En esta fase, los átomos de la sustancia se encuentran muy cerca unos de otros, y unidos por fuerzas eléctricas relativamente intensas (fuerzas de cohesión). Debido a la fuerte ligación o unión entre los átomos, los sólidos poseen algunas características, como el hecho de presentar forma y volumen bien definidos y de ofrecer mucha resistencia a las deformaciones. En la naturaleza casi todos los sólidos se presentan en forma de cristales, es decir, los átomos que lo constituyen se encuentran organizados según un modelo regular. 2.- Estado líquido: Los átomos de una sustancia líquida están más alejados unos de otros, en comparación con los de una sustancia en estado sólido, y por lo tanto, las fuerzas de cohesión que existen entre ellos son más débiles, su cohesión molecular es media. Así, el movimiento de vibración de los átomos se hace con más libertad, permitiendo que sufran pequeñas traslaciones en el interior del líquido. A ello se debe que los líquidos pueden escurrir o fluir con notable facilidad, su volumen es bien definido pero su forma es variable, no ofrecen resistencia a la penetración, y toman la forma del recipiente que los contiene. 3.- Estado gaseoso: La separación entre los átomos o moléculas de una sustancia en estado gaseoso, es mucho mayor que en los sólidos y en los líquidos, siendo prácticamente nula la fuerza de cohesión entre dichas partículas. Por ese motivo se mueven libremente en todas direcciones, haciendo que los gases no presenten ni forma, ni volumen definido y ocupen siempre el volumen total del recipiente donde se hayan contenidos. 4.- Plasma: Para que dicho estado sea alcanzado, la temperatura del material debe de ser muy elevada a millones de grados celsius, como ocurre con el sol y en muchas otras estrellas. La mayor parte de materia existente en nuestro universo se presenta en forma de plasma, pero, en nuestro planeta raramente podemos encontrar este estado. Con la nueva tecnología se logra tener plasma frío que es un gas ionizado utilizado para las pantallas de plasma en televisores. 5.- Estado cuántico (bose-einsten): Es un estado de agregación de la materia que se obtiene cuando ciertos materiales alcanzan muy bajas temperaturas, produciendo que se 15

formen un supercondensado de moléculas, es decir, que la materia se comprima a muy baja temperatura. Calor latente: Es el calor necesario para cambiar de estado la unidad de masa de una sustancia sin variar su temperatura. Calor específico: Es la cantidad de calor necesaria para que la unidad de masa de una sustancia modifique su temperatura a 1°C.

Medición de la temperatura El instrumento que sirve para medir la temperatura se llama termómetro. Galileo (1564-1642) fue el que fabricó el primer termómetro, el cual funcionaba a base de aire, consistía de un bulbo de vidrio con un tubo largo de vidrio soldado a él. Según su uso se divide en diferentes tipos, como son:      

Termómetro Termómetro Termómetro Termómetro Termómetro Termómetro

de gas. óptico. metálico. clínico. de máxima y mínima. común de líquido.

Termómetro de gas: En este instrumento el valor de la temperatura se obtiene por lectura de la presión de un gas que se mantiene a volumen constante. Termómetro óptico: La temperatura del objeto (un horno, por ejemplo) se obtiene comparando el color de la llama con el filamento de una lámpara eléctrica. Termómetro metálico: El calentamiento hace que el espiral bimetálico se curve, moviendo la aguja que señala el valor de la temperatura. Termómetro clínico: Debido al estrechamiento en la base del tubo capilar, la columna de mercurio (Hg) no puede regresar al depósito. Por ello, este termómetro sigue indicando la temperatura de una persona, aunque ya no esté en contacto con ella.

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Termómetro de máxima y mínima: Este aparato indica, por medio de dos índices, las temperaturas máxima y mínima que se producen en cierto intervalo de tiempo.

Fig.1.4 Termómetro de máximo y mínimo.

Fig.1.6 Termómetro óptico

Fig.1.5 Termómetro clínico

Fig.1.7 Termómetro infrarrojo

Fig.1.8 Termómetro de laboratorio

¿Cómo se construye un termómetro? Para construir un termómetro se pueden seguir los siguientes pasos 1.- Se introduce el termómetro en una mezcla de hielo y agua en equilibrio térmico (hielo fundente) a la presión de 1 atm. Se espera hasta que el termómetro esté en equilibrio térmico con la mezcla, en el momento donde se estabiliza la altura de la columna se marca CERO, el cual representa el punto de fusión del hielo (a la presión 1 atm).

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2.- Posteriormente, el termómetro se introduce en agua en ebullición, a la presión de 1 atm. En el punto donde la columna líquida se estabiliza se marca 100 grados, la cual me representa el punto de ebullición del agua (a presión de 1 atm). 3.- Se divide el intervalo entre 0 °C y 100 °C en 100 partes iguales. Escalas termométricas a) Celsius o centígrada: La escala de temperatura de uso más extendido, la escala internacional, asigna el número 0 a la temperatura a la cual el agua se congela, y el número 100 a la temperatura a la cual el agua hierve (a la presión de una atmósfera). El intervalo entre el punto de congelación y ebullición se divide en 100 partes iguales llamadas grados. Esta escala de temperatura es la escala celsius. Se llama así en honor de la persona que la surgió por primera vez, astrónomo sueco Anders Celsius (1701-1744). Suele llamársele escala centígrada, palabra que proviene de centi (―centésimo‖) y gradus (―grado‖). Esta escala se usa en países de habla hispana. b) Fahrenheit: Es la escala de uso común en países de habla inglesa como por ejemplo en los Estados Unidos de Norte América, el número 32 designa la temperatura de congelación del agua, y se asigna el número 212 a la temperatura de ebullición del agua. Esta escala de temperatura se le conoce como escala Fahrenheit. Esta escala se le llama así en honor al físico alemán Gabriel Fahrenheit (1686-1736). c) Kelvin (absoluta): Esta escala se emplea en la investigación científica, es la del sistema internacional, la escala kelvin. Sus grados son del mismo tamaño que los grados celsius y se llaman ―kelvin‖. En la escala kelvin el 0 se asigna a la temperatura más baja posible: el cero absoluto. A la temperatura del cero absoluto las sustancias ya no tienen energía cinética que ceder. El cero de la escala kelvin, o cero absoluto, corresponde a –273°C. El nombre de esta escala es en honor del físico británico Lord Kelvin (1824-1907). Hay otra escala termométrica llamada Rankine, en honor al físico escocés ingeniero y físico William John Macquorn Rankine (1820-1972), cuyas divisiones son iguales a los grados Fahrenheit, que en la actualidad es obsoleta, y es por ello que solamente la mencionamos, las que más se utilizan son las tres anteriores, centígrada, Fahrenheit y kelvin (absoluta). La escala centígrada se utiliza en países de habla hispana, la escala Fahrenheit en países de habla inglesa y las escala kelvin en laboratorio y trabajos científicos.

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Problemas de conversión de escalas termométricas 1.-Convertir -89 ºC a ºF Datos: ºC= -89

Fórmula:

Sustitución ;

°F=

2.-Convertir 30 ºF a ºC

3.-Convertir 37ºC a ºK

4.-Convertir 90 ºK a ºC

5.-Convertir 56 ºF a ºK

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Pon a prueba tus conocimientos. Actividad 1.1 Resuelve los siguientes problemas Convertir 45 ºC a ºK

Solución:

Convertir -100 ºC a ºK

Solución:

Convertir 95 ºK a ºC

Solución:

Convertir 89 ºK a ºC

Solución:

Convertir -43 ºC a ºF.

Solución:

Convertir 66 ºC a ºF.

Solución:

Convertir 27 ºF a ºK.

Solución:

20

Convertir 145 ºF a ºK.

Solución:

Convertir 30 ºK a ºF.

Solución:

Convertir 171 ºK a ºF.

Solución:

1.-Si un medicamento debe someterse a una temperatura ambiente no más de 30 ºC, y una persona que vive en Los Ángeles California, dice que la temperatura ambiente asciende hasta 82.4 ºF. ¿Esta temperatura está dentro de lo normal? ¿Por qué? Datos: Fórmula: Sustitución

2.-El reporte meteorológico indica que en Chicago la temperatura ha descendido hasta 14 ºF, ¿cuántos grados centígrados le corresponden? Datos:

Fórmula:

Sustitución

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3.-Un reporte clínico establece que la temperatura de un paciente es de 104 ºF, sabiendo que la temperatura normal del cuerpo humano es de 36 ºC, ¿ésta temperatura es normal? ¿por qué? Datos: Fórmula: Sustitución

4.- En la elaboración del tequila, el mosto formulado (jugo de agave 100 % más la levadura) inicia la fermentación hasta una temperatura de 40 ºC, ¿a qué temperatura le corresponde en la escala Fahrenheit? Datos: Fórmula: Sustitución

5.-La temperatura ambiente de un laboratorio de análisis físico-químicos es de 68 ºF, ¿cuántos grados le corresponden en escala centígrada y absoluta (ºK)? Datos: Fórmula: Sustitución

Contacto térmico y equilibrio térmico 22

Son dos conceptos que están muy relacionados pero son diferentes. El contacto térmico es el proceso en el cual se puede intercambiar energía debido a la diferencia de temperaturas, cuando ambos cuerpos logran tener la misma temperatura entonces se encuentran en equilibrio térmico. Entonces pues el equilibrio térmico se da cuando dos objetos no intercambian energía. Para leer un termómetro esperamos hasta que alcanza el equilibrio térmico con la sustancia cuya temperatura mide. Cuando un termómetro está en contacto con una sustancia, fluye calor entre ellas hasta que alcanzan la misma temperatura. Sabemos entonces, que la temperatura del termómetro es también la temperatura de la sustancia. De modo que, curiosamente un termómetro nos indica su propia temperatura. Un termómetro debe ser lo bastante pequeño para que no altere de manera apreciable la temperatura de la sustancia en cuestión. Si mides la temperatura del aire de una recámara, entonces el calor que el termómetro absorbe no reducirá la temperatura del aire de manera apreciable. En cambio, si intentas medir la temperatura de una gota de agua, la temperatura de la gota después del contacto térmico puede ser muy diferente de su temperatura inicial.

Formas de transmisión del calor El calor se transmite espontáneamente siempre de los cuerpos calientes a los fríos, y nunca de manera inversa. Existen tres formas de transmitir el calor: por radiación, por convección y por conducción. Para comprender mejor las diferentes formas de transmisión del calor, veamos un ejemplo cotidiano. Si tomamos el sol en la playa y pasan algunas horas, vamos a observar que nuestra piel se quemó; el sol emite energía radiante compuesta de fotones u ondas electromagnéticas. Dicha radiación atraviesa la atmósfera y llega —en un día despejado al nivel del mar— a la superficie en una proporción aproximada de 4 % de rayos ultravioleta, 46 % de radiación visible y 50 % de rayos infrarrojos. Cualquier cuerpo al que le llegue radiación tiene la propiedad de absorberla, produciendo calor que a su vez ocasiona que se eleve la temperatura.

Las tres formas de transmisión del calor son: 23

a) Conducción: Esta forma de transmisión de calor se manifiesta principalmente en los cuerpos sólidos y se caracteriza por el pasaje del calor desde los puntos de mayor temperatura hacia los de menor temperatura sin desplazamiento apreciable de materia, ocurre por el choque entre moléculas de mayor energía cinética contra moléculas de menor energía cinética. La transmisión de calor puede producirse de una parte a otra del mismo cuerpo o de un cuerpo a otro en contacto con él. Un ejemplo de esta forma es cuando dejamos la cuchara en la cazuela calentándose en la estufa, en un cierto tiempo la cuchara se calienta en toda su superficie por conducción, es decir, hay un contacto directo de molécula a molécula. b) Convección: Es la transmisión del calor por medio de la circulación de fluidos calientes, esta forma se manifiesta en los líquidos y gases que alcanzan el equilibrio térmico como consecuencia del desplazamiento de materia que provoca la mezcla de las porciones del fluido, las cuales se encuentran a diferentes temperaturas. La convección será natural cuando el movimiento del fluido se debe a diferencias de densidad que resultan de las diferencias de temperatura. La convección será forzada cuando el movimiento es provocado por medios mecánicos, por ejemplo mediante un agitador en los líquidos o un ventilador en los gases. Un ejemplo es el aire acondicionado, refrigerador, las corrientes de aire frío, cuando el agua está hirviendo, es decir, el agua caliente sube y el agua fría baja, en el cual se puede apreciar un movimiento real de la sustancia. Este principio también se puede aplicar en el aire, el aire caliente sube y el aire frío baja, es por eso que podemos poner los dedos cerca de la flama de una vela sin quemarnos, pero si los ponemos encima de la vela nos puede quemar, esto se debe a que el aire se desplaza hacia arriba por convección del aire. Como el aire es un mal conductor del calor, es muy poco el calor que se mueve hacia los lados. c) Radiación: Es la forma de transmisión en la que el calor pasa de un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura sin que entre ellos exista un vínculo material. Esto indica que el calor se transmite en el vacío, en forma de ondas electromagnéticas denominadas comúnmente radiación o energía electromagnética o radiante, que comprende las ondas de radio, las microondas, la radiación infrarroja, la luz visible, la radiación ultravioleta, los rayados X y los rayos gamma. Un ejemplo muy claro es el calor que nos transmite el sol, en el cual el calor atraviesa la atmósfera, calentando la superficie terrestre. Radiación infrarroja (bajo el rojo): Tiene longitudes de onda mayores que las de la luz visible. Las longitudes de ondas visibles mayores corresponden a la luz roja y las más pequeñas a la luz violeta. Cuando hablamos de radiación térmica nos referimos a radiación infrarroja. Cuando estamos cerca del fuego sentimos calor. El calor que percibimos es radiación infrarroja, no visible. Un ejemplo de radiación infrarroja es cuando sentimos sensación de calor como las brasas del carbón, el filamento de una bombilla, el calor del sol, del fuego, de un radiador de calefacción, 24

al usar el control remoto de la TV, aunque no podamos ver esta radiación, nuestros sentidos la perciben como calor en nuestra piel.

Observa los anillos de color mostrando cómo el agua ya derretida se calienta mientras se desplaza alejándose del cubo. A pesar de que el cubo de hielo es frío, aún irradia calor, como tú puedes ver relacionando el color del cubo de hielo con su temperatura.

Fig. 1.11

Fig. 1.12

Una fotografía a la luz visible (arriba) (figuras 1.11 y 1.12) y una fotografía infrarroja (abajo) de dos vasos. Un vaso contiene agua fría mientras que el otro contiene agua caliente. En la fotografía a la luz visible no podemos decir solamente mirando cuál vaso contiene agua fría y cuál agua caliente.

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Placa solar Con esta sencilla placa, y dependiendo de la radiación solar, se alcanzan temperaturas muy altas. Probablemente hayas visto estas placas en los tejados de algunas casas. El calor llega desde el sol hasta la placa metálica por radiación. El metal de la placa emite radiación en el infrarrojo y el calor se transmite al líquido que está en contacto con la placa por conducción. En el líquido se establecen corrientes convectivas que lo mezclan y uniformizan el calor. El agua caliente sube y la fría baja, el agua más caliente sube al depósito superior y de la parte inferior de este depósito baja el agua más fría que entra por la parte de abajo de la placa.

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Recipiente metálico con agua al fuego Las llamas (o una plancha eléctrica) calientan el metal porque los gases de combustión están en contacto con el fondo y le transmiten el calor por conducción (el metal se dilata y sus partículas vibran más), el metal transmite el calor al agua del fondo del recipiente por conducción. El agua caliente del fondo asciende, originando corrientes convectivas (propagación por convección) y se mezcla con el agua fría, las paredes de los recipientes calientes emiten radiación en el infrarrojo a los alrededores. Para calcular la cantidad de calor (Q) que se transmite por conducción se utiliza la fórmula: ( Donde: Q= Cantidad de calor transmitida por conducción = joule/seg. λ= Coeficiente de conductividad térmica de la sustancia = joule/cm °C seg A= Área de la cara de la sustancia por la que se conduce el calor = m2 =Es la diferencia de temperatura en ºC, entre las caras, donde mayor y es la temperatura menor.

es la temperatura

l= Espesor de la cara que transmite el calor= m. NOTA: Si el problema nos proporciona el tiempo, entonces la fórmula queda de la siguiente manera: ( Donde t es el tiempo en segundos. Tabla 1.5 Conductividades térmicas 27

Sustancia

Conductividad Térmica (

Aluminio Cobre Hierro y acero Plata Latón Ladrillo Concreto Corcho Cartón de yeso Fibra de vidrio Vidrio Poliuretano Forro de madera Aire Agua

)

(

)

240 390 46 420 109.2 0.714 0.798 0.042 0.1596 0.042 0.798 0.02394 0.0546 0.02394 0.588

Problemas de transmisión del calor 1.-Una varilla de aluminio de 3 m de longitud y 4 cm de diámetro se mantiene a 108 ºC en uno de sus extremos, y el otro se mantiene a 2 ºC. Hallar el calor que se transmite de un extremo a otro durante 2 horas. Datos e incógnitas:

Fórmula: (

l=3m D= 4 cm= 0.04 m r= 0.02 m =108ºC - 2ºC=106ºC t=2 horas=7200 seg. A=Área de la sección transversal= área de un círculo ( ( Sustitución: (

)(

(

)(

=18.222285 Kcal.

Solución: 28

2.-En el interior de una recámara se mantiene a una temperatura de 102 ºC, y su exterior a -15 ºC. Calcular la cantidad de calor que se transmite del interior de la recámara hacia el exterior a través del vidrio de una ventana de 2.50 m de ancho por 1.4 m de altura y 10 mm de espesor, durante un día. Datos e incógnitas:

Fórmula: (

l= 10 mm = 0.01 m A= (2.50 m)(1.4 m)=3.5m2 =102 ºC – (-15 ºC)=102 ºC + 15 ºC=117 ºC t=24 horas=86,400 seg. Sustitución: (

)(

(

)(

=672,235.2 kcal

Solución: 672,235.2 kcal.

3.- ¿Cuánto calor se transmite a través de un muro de concreto de 15 cm de espesor, donde en una cara lateral se mantiene a 113 ºC y la otra a 25 ºC, durante 8 horas por metro cuadrado? (

l= 15 cm = 0.15 m A= 1 m2 =113 ºC – 25 ºC=88 ºC t=8 horas=28, 800 seg. Sustitución: (

)(

(

)(

=3,210.24 kcal

Solución: 3,210.24 kcal.

29

4.- En un tanque de latón de 1.8 m de diámetro y 1 cm de espesor, en su interior se encuentra agua a 106 ºC. Si en el exterior del cilindro se mantiene a una temperatura ambiente de 25 ºC. Hallar la cantidad de calor que se transmite del interior del cilindro hacia el medio ambiente en tres horas por cada metro del tanque. Datos e incógnitas l= 1 cm = 0.01 m D=1.8 m; r=0.9 m

Fórmula

(

1.8 m 1m A= Área lateral de un cilindro = =106 ºC – 25 ºC=81 ºC

( (

(

(

t=3 horas=10, 800 seg.

Sustitución: (

)(

(

)(

=12’861,911.46 kcal

Solución: 12’861,911.46 kcal. 5.- Una placa cuadrada de cobre tiene 1.5 m de lado. Un lado se encuentra a 90 ºC y el otro a 135 ºC. Si la placa tiene 1.5 cm de espesor, ¿cuánto calor se transmite de una cara a otra por hora? ( l= 1.5 cm = 0.015 m A=

( =135 ºC – 90ºC=45 ºC

t=1 hora=3,600 seg.

30

Sustitución: (

)(

(

)(

=2’284,200 kcal

Solución: 2’284,200 kcal. Pon a prueba tus conocimientos Actividad 1.2 Resuelve los siguientes problemas 1.21.- Un tubo de cobre de 4 m de longitud y 1 cm de diámetro se mantiene a 98 ºC en uno de sus extremos, y el otro se mantiene a 12 ºC. Hallar el calor que se transmite de un extremo a otro durante 20 minutos.

Solución: 1.22.- El interior de una recámara se mantiene a una temperatura de 32 ºC, y su exterior a -10 ºC. Calcular la cantidad de calor que se transmite del interior de la recámara hacia el exterior a través del vidrio de una ventana de 2.20 m de ancho por 1.7 m de altura y 7 mm de espesor, durante 5 horas.

Solución:

31

1.23.- ¿Cuánto calor se transmite a través de un muro de concreto de 20 cm de espesor, donde en una cara lateral se mantiene a 109 ºC y la otra a 10 ºC, durante un día por metro cuadrado?

Solución: 1.24.- En un tanque de aluminio de 2.2 m de diámetro y 2 mm de espesor, en su interior se encuentra agua a 98 ºC. Si en el exterior del cilindro se mantiene a una temperatura ambiente de 12 ºC. Hallar la cantidad de calor que se transmite del interior del cilindro hacia el medio ambiente en tres horas, por cada metro del tanque.

Solución: 1.25.- Una placa cuadrada de cobre tiene 2.6 m de lado. Un lado se encuentra a 20 ºC y el otro a 155 ºC. Si la placa tiene 15 mm de espesor. ¿Cuánto calor se transmite de una cara a otra en cinco horas?

Solución:

32

1.26.- Un tubo de latón de 3 cm de diámetro tiene 15 mm de espesor, está sumergido en agua el cual se mantiene a 39 ºC. En su interior circula vapor a 130 ºC. ¿Cuánto calor se pierde a través del tubo por cada metro? ¿En qué dirección fluye el calor?

Solución:

1.27.- En una cámara de vapor hecha de concreto con 20 cm de espesor se mantiene en su interior a 130 ºC y en su exterior a 23 ºC. ¿Cuánto calor se transmite por metro cuadrado durante dos horas?, ¿en qué dirección fluye el calor?

Solución:

33

Actividad integradora 1: En base a lo que has aprendido hasta hoy, analiza y contesta las siguientes preguntas: 1.- ¿Todos los cuerpos tienen calor? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ______________________________________________ 2.- ¿Cuál es la diferencia fundamental entre calor y temperatura? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ______________________________________________ 3.- ¿En qué hecho físico se basan para construir un termómetro? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ______________________________________________ 4.- En un día frío ¿por qué si tocas un metal se siente más frío que si tocas una parte de madera? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 5.- Cuando duermes por la noche en el invierno y te tapas en tu cama con una cobija térmica, ¿la cobija te da calor o que es lo qué sucede que te sientes cómodo a una buena temperatura?, explica tu respuesta. __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ___________________________________________________ 6.- Si tomas la cabeza de un clavo metálico y luego colocas la punta del clavo tocando un trozo de hielo, tus dedos sentirán rápidamente que se enfrían, ¿esto significa que el frío pasó del hielo a tus dedos?, si o no, explica porque. __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________

34

7.- ¿Qué diferencia hay entre una convección natural y una convección forzada? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 8.- ¿Por qué se dice que la convección solo ocurre en los fluidos como gases o líquidos? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 9.- Anota 3 diferencias entre la conducción y la convección. 1.-_________________________________________________________________ 2.-_________________________________________________________________ 3.-_________________________________________________________________ 10.- Anota 3 diferencias entre la conducción y la radiación. 1.-_________________________________________________________________ 2.-_________________________________________________________________ 3.-_________________________________________________________________ 11.- Anota 3 diferencias entre la convección y la radiación. 1.-_________________________________________________________________ 2.-_________________________________________________________________ 3.-_________________________________________________________________ 12.- La energía electromagnética que emite el sol y que nos llega a la tierra tiene 3 componentes de radiación, ¿cuáles son estos componentes y qué porcentaje tienen? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 13.- ¿Por qué si caminas rápidamente sobre brazas calientes de carbón no sufrirías quemaduras de consideración? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 14.- ¿Por qué los sartenes para guisar comida siempre deben tener un mango de plástico o madera especial? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 35

15.- ¿La radiación infrarroja es de peligro o benéfica para la salud?, explica porque. __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ____________________________________________________ 16.- Explica que es la radiación infrarroja. __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ____________________________________________________ 17.- ¿Por qué son muy útiles las imágenes infrarrojas en diferentes usos de la vida cotidiana? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ___________________________________________________ 18.- ¿Es posible que en la vida cotidiana se realice una transmisión del calor en donde solo intervenga un tipo de transmisión?, explica porque. __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 19.- Explica un ejemplo de la vida cotidiana en donde se observe que ocurren las 3 transmisiones del calor. __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ___________________________________________________ 20.- Observa nuevamente las fotografías de las figuras 1 y 2 de la lectura de la actividad N°1 y explica ¿qué diferencia hay entre las 2?. __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 21.- Observa nuevamente las fotografías de las figuras 3 y 4 de la lectura de la actividad N°1 y explica ¿qué diferencia hay entre las 2?. __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ____________________________________________________ 22.- ¿Cuáles son las escalas termométricas que conoces? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________

36

23.- ¿Un cuerpo puede tener una temperatura de -3 ºK?, explica tu respuesta. __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ____________________________________________________ 24.- ¿Qué diferencia hay entre contacto térmico y equilibrio térmico? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 25.- ¿Por qué método o métodos se transmite el calor cuando nos bañamos? Considerando que utilizamos calentador solar. _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________ Actividad experimental Realiza en tu casa las siguientes prácticas experimentales y anota las conclusiones de las mismas.

PRÁCTICA N° 1.- CONDUCCIÓN DEL CALOR Objetivo.- Demostrar como ocurre la transmisión del calor por conducción. Materiales.- Papel aluminio y un tapete pequeño. Procedimiento Corta un pedazo de papel aluminio de la cocina de tu casa con un área mayor que tu pie, coloca el papel aluminio en un piso sin alfombra y a un lado con una distancia de separación cómoda coloca el tapete para poner tus 2 pies, uno sobre el papel aluminio y el otro sobre el tapete. Pon el papel aluminio y el tapete sobre el piso mosaico, déjalos sin moverlos durante 10 minutos. Después pon tus pies descalzos, uno sobre el papel aluminio y el otro pie sobre el tapete y siente la diferencia entre la temperatura de los 2 pies, explica tus conclusiones. CONCLUSIONES ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ 37

________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ____________________________________________ PRÁCTICA N° 2.- RADIACIÓN Objetivo.- Averiguar cómo se da la radiación en un horno de microondas mediante un proceso de calentamiento y cocimiento de palomitas de maíz. Materiales.- Horno de microondas de tu casa y una bolsa de palomitas de maíz sin cocimiento. Procedimiento Lee las instrucciones que se indican en la bolsa de palomitas de maíz para su cocimiento, coloca la bolsa dentro del horno de microondas y genera el cocimiento. Observa detenidamente qué pasa con la bolsa y las palomitas durante el tiempo que transcurre. Explica tus conclusiones. CONCLUSIONES ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ _______________

38

MÓDULO II DILATACIÓN

Actividad preliminar 2.0 1.- ¿Qué es dilatación térmica? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 2.- ¿Por qué crees que ocurran las dilataciones térmicas? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 39

3.- ¿Sabes qué es contracción? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 4.- ¿Qué factores intervienen en la dilatación de los cuerpos? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 5.- ¿Todos los cuerpos se dilatan de igual manera?, explica tu respuesta. __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 6.- ¿Cuál tipo de sustancia crees que se dilate más al calentarla, los sólidos, los líquidos o los gaseosos? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ____________________________________________________ 7.- Hay 3 tipos de dilataciones térmicas, una llamada lineal, otra superficial o de área y la volumétrica, recuerda lo que has observado en tu vida cotidiana y da dos ejemplos de cada una de las dilataciones. __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ____________________________________________________ 8.- ¿Qué significa coeficiente de dilatación térmica? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 9.- ¿Por qué los cables que conducen la energía eléctrica cuelgan más en primavera que en invierno? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________ 10.- ¿Por qué la vía férrea la colocan dejando una separación de cada segmento con otro? __________________________________________________________________________ ____________________________________________________________ DILATACIÓN DE LOS CUERPOS Los cambios de temperatura afectan el tamaño de los cuerpos. La mayoría de estos cuerpos se dilatan al calentarse y se contraen si se enfrían, todo depende del material que se trate, es decir, unos cuerpos se dilatan más que otros. La dilatación térmica es la variación del tamaño de un cuerpo cuando experimenta un cambio en su temperatura. 40

En los gases y líquidos, las partículas chocan unas con otras en forma continua, pero si se calientan, chocarán bruscamente, rebotando a mayores distancias, y provocaran la dilatación. En los sólidos, las partículas vibran alrededor de posiciones fijas pero al calentarse aumentan su movimiento y se alejan de sus centros de vibración por lo que se produce la dilatación. Por el contrario, al bajar la temperatura las partículas vibran menos y el cuerpo se contrae.

Física en nuestra vida En nuestra vida diaria podemos observar la dilatación de los cuerpos cuando incrementa su temperatura. Por ejemplo en las figuras 2.2 y 2.3 podemos apreciar las juntas de dilatación, esto sirve para que el concreto no se levante cuando haya una dilatación, debido al incremento de su temperatura, y también para cuando haya una disminución no se reviente.

Pon a prueba tus conocimientos Actividad 41

1.- Enlista al menos 5 ejemplos en el que hayas visto algún efecto causado ya sea por la dilatación o contracción. __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ___________________________________________________ 2.- ¿Cuál crees que es el efecto principal de la dilatación o contracción en los cuerpos? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ___________________________________________________ 3.- ¿Por qué en las noches en una habitación cuyo techo es de lámina galvanizada se escucha que truena? ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ___________________________________________ 4.- ¿Por qué el concreto hidráulico (cemento, grava, agua y arena de río) tiene que dejar juntas de dilatación y en el concreto asfáltico (asfalto, grava, agua y arena volcánica) no es necesario?, explica tu respuesta.

Juntas de dilatación

Concreto hidráulico Concreto asfáltico __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ______________________________________________ 5.-Normalmente una cinta métrica mide correctamente a 24ºC, si con ella se mide una cierta distancia en un día de invierno a una temperatura de 0ºC ¿se medirá de más o de menos que lo real? Explica tu respuesta __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ______________________________________________ 6.-Si te pidieran colocar cable telefónico en tiempos donde hace mucho calor ¿cómo pondrías el cable, muy ajustado o que cuelgue? Explica tu respuesta 42

__________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ______________________________________________ 7.-Investiga ¿Qué es un termostato? ¿Cómo funciona? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ______________________________________________

PROBLEMAS DE DILATACIÓN 1.- Una varilla de acero a 15 ºC mide exactamente 3.2 m de longitud, ¿cuánto medirá si se incrementa su temperatura hasta 65 ºC? Datos Fórmula Sustitución

2.-Una lámina rectangular de aluminio mide a 30 ºC, 1.17 m de largo y 1.33 m de largo. Calcular: a) El incremento de área que tendrá si se incrementa su temperatura a 77 ºC. b) ¿Cuál será su área final?

3.-Una esfera de acero mide 5 cm de diámetro a 10 ºC, si disminuye su temperatura hasta -30 ºC, ¿cuál es su volumen final? Datos

Fórmula

Sustitución

43

4. -Un recipiente de hierro está lleno justamente con 3.5 ltrs. de glicerina a 13 ºC. Si se calienta hasta 103 ºC, a) ¿cuál es el incremento de volumen de la glicerina y del recipiente? b) ¿se derrama o no la glicerina? c) ¿cuánta glicerina se derrama? Datos

Fórmula

Sustitución

Actividad Integradora Resuelva los siguientes problemas 2.1.- Una varilla de plata a 12 ºC mide exactamente 4.18 m de longitud, ¿cuánto medirá si incrementamos su temperatura hasta 70 ºC?

44

Solución:

2.2.- Hallar la longitud final a la que llegará una cinta métrica metálica de 3 m de longitud si se incrementa la temperatura de 29 ºC hasta 96 ºC.

Solución: 2.3.- Una ventana rectangular de aluminio mide 3.10 m de largo y 1.80 m de alto a una temperatura de 30 ºC. Hallar el área que tendrá si se incrementa su temperatura a 77 ºC.

45

Solución: 2.4.- Una cinta métrica de acero mide exacto a una temperatura de 7 ºC, si con ella se mide una cierta longitud a 42 ºC, resultando 3.67 m. hallar: a) El error cometido. b) ¿Se midió de más o menos que lo real? c) ¿Cuál es la longitud correcta en las condiciones anteriores?

Solución: 2.5.- El diámetro de un rin de aluminio es de 40 cm a 10 ºC, y se quiere que entre a una llanta de diámetro inferior de 39.95 m, ¿qué temperatura debe tener el rin para que pueda entrar en la llanta?

46

Solución: 2.6.- Una puerta rectangular de hierro mide 3 m de largo y 2.50 de altura, a una temperatura de 21 ºC, ¿cuál es el incremento de área si se incrementa su temperatura hasta 71 ºC?

Solución:

2.7.- Una banqueta de concreto mide 6.98 m de longitud y 1.10 m de ancho, ¿cuál es su área final si aumenta su temperatura de 31 ºC hasta 98 ºC?

47

Solución:

2.8.- En Atotonilco el Alto, Jalisco la temperatura ambiente en primavera es de 23 ºC, la longitud de un riel de acero es de 4.3 m. a) ¿cuál será su longitud en invierno en donde la temperatura ambiente es de 7 ºC? b) ¿cuál será su longitud en verano si su temperatura asciende hasta 75 ºC?

Solución:

2.9.- Un recipiente de aluminio está lleno justamente con 2.8 ltrs. de glicerina a 23 ºC. Si se calienta hasta 123 ºC, ¿cuál es el volumen final de la glicerina y del recipiente?, ¿se derrama o no la glicerina?, ¿cuánta glicerina se derrama?

48

Solución: 2.10.-Una esfera de acero a 29 ºC tiene un diámetro de 20 cm. Si la temperatura se incrementa hasta 93 ºC, ¿cuál será su volumen final?

Solución:

MÓDULO III 49

CAMBIO DE FASE Y CALENTAMIENTO

Actividad preliminar 1.- ¿Qué crees que sea cambio de estado de la materia? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 2.- ¿Por qué crees que se verifique un cambio de estado? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 3.- ¿Los cambios de estado solo se verifican al calentar los cuerpos? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 4.- ¿Qué es fusión y solidificación? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 5.- ¿Qué es vaporización y condensación? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 50

6.- ¿En tu vida cotidiana has observado muchos fenómenos en el que ocurre un cambio de estado?, menciona 3 casos. _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________ 7.- ¿Por qué crees que se forman las nubes? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ___________________________________________________ 8.- ¿Sabes qué es calor específico? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ____________________________________________________ 9.- ¿Por qué el agua del mar la sentimos más caliente por la noche que por la mañana? _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________

10.- ¿Sabes qué es capacidad calorífica? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ____________________________________________________. Cambios de fase La materia puede cambiar de un estado a otro diferente cuando se modifica la temperatura y/o la presión, ya sea aumentando o disminuyendo la energía térmica, en el cual existe una transferencia de energía.

SUBLIMACIÓN EVAPORACIÓN

FUSIÓN

LÍQUIDO

SOLIDIFICACIÓN SUBLIMACIÓN

CONDENSACIÓN LICUACIÓN 51

Existen dos tipos de cambios de estado: Progresivos y regresivos explique como universitario que es usted.

La física en nuestro hogar La olla de presión El funcionamiento de esta olla se basa en que la temperatura de ebullición del agua varía en función de la presión que hay en el ambiente. A mayor presión del ambiente, mayor es la temperatura de ebullición. Al estar cerrada la olla exprés, impide que el vapor escape, esto hace que incremente la presión del ambiente interno de la olla exprés y hace aumentar la temperatura sin que el agua hierva. Si el gua rebasa los 100 ºC en estado líquido se reduce el proceso de cocción. La alta temperatura del agua es lo que hace que los alimentos se cuezan Contesta las siguientes preguntas: 1.-¿Qué cuidados se debe tener para el buen funcionamiento de la olla exprés? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ____________________________________________________ 2.-¿Por qué crees que es importante mantener limpias las válvulas de escape?

52

__________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ____________________________________________________ 3.-¿cuáles son las medidas de seguridad que debemos tener al trabajar con la olla exprés? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ____________________________________________________ 4.-¿La ebullición del agua es lo cocina los alimentos? Explica tu respuesta __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ______________________________________________ 5.- ¿En dónde es más fácil cocinar los alimentos en la cima de una montaña o al nivel del mar? Explica tu respuesta.

Problemas 1.- Hallar la cantidad de calor necesaria para fundir 3 kg de hielo a 0 ºC. Datos e incógnitas Q=? m=3 kg = 3,000 g HIELO =80 cal/g

Fórmula Sustitución y operaciones Q= m  Q=(3000 g)(80 Cal/g)=240, 000 cal Q= 240 kcal.

2.- ¿Cuánto calor se necesita para evaporar 230 g. de agua a 100 ºC?

3.- ¿Cuánta cantidad de hielo a 0 ºC, se puede fundir si se le suministran 160 kcal?

53

4.- ¿Cuánta cantidad de agua a 100 ºC, se puede evaporar si se le suministran 270 kcal?

Actividad 3.1.- Hallar la cantidad de calor necesaria para fundir ½ kg de hielo a 0 ºC.

Solución

3.2.- ¿Cuánto calor se necesita para evaporar 180 g. de agua a 100 ºC.

Solución 54

3.3.- ¿Cuánta cantidad de hielo a 0 ºC, se puede fundir si se le suministran 90 kcal?

Solución

3.4.- ¿Cuánta cantidad de agua a 100 ºC, se puede evaporar si se le suministran 145 kcal?

Solución 3.5.- ¿Cuánta cantidad de calor se debe extraer a 130 gramos de vapor a 100 ºC para condensarlo?

Solución

3.6.- ¿Cuánta cantidad de calor se debe extraer a 225 g. de agua a 0 ºC para solidificarlo? 55

Solución

Interacción de los sistemas térmicos Concepto de calor: Si tocas una estufa caliente, la energía entra en tu mano porque la estufa está más caliente que tu mano. Por otro lado, cuando tocas un pedazo de hielo, la energía se transfiere de tu mano al hielo más frío. La dirección de la transferencia de energía siempre es del cuerpo más caliente hacia el más frío. La transferencia de energía térmica de un cuerpo a otro debido a una diferencia de temperatura entre los cuerpos se denomina calor. Es importante señalar que la materia no contiene calor. La materia contiene energía molecular, no calor. El calor fluye, y es la energía que está siendo transferida. Una vez que el calor ha sido transferido a un objeto o a una sustancia, deja de ser calor. Se vuelve energía interna. Entonces pues, las sustancias no contienen calor, contienen energía interna. Cuando una sustancia absorbe o libera calor, cambia la energía interna en la sustancia. La energía térmica como recordaremos se define como la suma total de la energía cinética de las moléculas de una sustancia.

CALOR ABSORBIDO Y CEDIDO Cuando dos cuerpos a diferentes temperaturas se ponen en contacto, existe un intercambio de energía térmica desde el cuerpo más caliente hacia el más frío hasta que se igualan las temperaturas. En un intercambio de calor, la cantidad del mismo no cambia, es decir permanece constante, ya que la cantidad de calor que pierde el más caliente es igual a la cantidad de calor que gana el más frío. Debido a esto se origina la ley del intercambio de calor, que dice: en cualquier intercambio de calor efectuado, el calor cedido es igual al calor absorbido. 56

Calor cedido = calor ganado CALORÍMETRO DE AGUA: Consta de un recipiente externo de aluminio que en su interior tiene otro del mismo material, aislado con el propósito de evitar pérdidas de calor. Tiene además un agitador, un termómetro y una tapa.

El agua tiene una capacidad para almacenar energía mucho mayor que casi todos los materiales comunes. Una cantidad de agua relativamente pequeña absorbe una gran cantidad de calor que produce una gran cantidad de aumento de temperatura de poca magnitud. Por esta razón el agua es un agente refrigerante muy útil que se utiliza en los sistemas de enfriamiento en los automóviles y en otros motores. También el agua es el que tarda más tiempo en enfriarse. Capacidad calorífica: Es la relación entre la cantidad de calor Q que recibe y su correspondiente elevación de temperatura t. Q C= , donde: Q= Incremento de calor (cal). t Calor específico: Es la cantidad de calor que necesita un gramo de una sustancia para elevar su temperatura a un grado centígrado. El calor específico de una sustancia es igual a la capacidad calorífica dividida entre su masa m: c Q Q Ce= , como c = , sustituyendo, tenemos: Ce =  Q = m Cet m t mt Energía interna: Además de la energía cinética de traslación de las moléculas que se agitan, una sustancia contiene energía en otras formas. Hay energía cinética de rotación de las moléculas y energía cinética debida a los movimientos internos de los átomos dentro de las moléculas. Hay también energía potencial debida a las fuerzas que se ejercen entre las moléculas y energías electromagnéticas y nucleares. El gran total de todas las energías que una sustancia contiene se conoce como energía interna.

57

Cuando una sustancia se transforma de un estado a otro, no se hace de manera directa, hay un proceso. Por ejemplo queremos saber cuántas calorías se necesitan para transformar 75 gramos de hielo a -30ºC a vapor a 140ºC. como lo muestra la siguiente gráfica:

PROBLEMAS TIPO CALORIMETRÍA Y CAMBIOS DE ESTADO 1.-Calcula la cantidad de calor que se requiere aplicar para calentar 2 kg de cobre desde una temperatura inicial de -30 °C hasta una temperatura final de 250 °C. DATOS:

FÓRMULAS

SUSTITUCIÓN

2.- Hallar el calor que se debe extraer a 20 g. de vapor de agua a 120 °C para condensarlo y enfriarlo hasta 20 °C. Nota.-El punto de ebullición del agua es equivalente al punto de condensación (PC) del vapor y el calor latente de vaporización es equivalente al calor latente de condensación solo que con signo negativo, ya que se está extrayendo calor. DATOS:

FÓRMULAS

SUSTITUCIÓN

3.-Calcular cuántas calorías se requieren para calentar 3 kg de hielo a 0 °C y convertirlos en 3 kg de vapor a 125 °C. Nota.- El equivalente mecánico del calor es: 1 Joule=0.24 cal. y 1 cal.=4.2 Joule 58

DATOS:

FÓRMULAS

SUSTITUCIÓN

Actividad 3.2 Resuelva los siguientes problemas 1.- Calcula la cantidad de calor que se necesita aplicar para calentar 700 g de plata que está a -25 °C y pasan a plata líquida a 1000 °C, los valores de la plata son: Plata. - PF=961°C PE=2193°C Ce=0.23 J/g °C DATOS:

FUSION=88 J/g VAP.= 2300 J/g

FÓRMULAS

SUSTITUCIÓN

Solución:

2.- Calcula qué cantidad de calor se debe extraer para que 100 g de vapor a 100 °C pasen a 100 g de hielo a -20 °C, calcúlalo en joule y en calorías. DATOS:

FÓRMULAS

SUSTITUCIÓN

Solución:

59

3.- Determina cuántos joule se deben aplicar para pasar 250 g de hielo a -15 °C en 250 g de vapor a 110 °C.

Solución:

4.-Calcula la cantidad de calor que es necesario aplicar para convertir 500 g de hierro que están a -10 °C y pasarlos en hierro líquido a 2,000 °C, para el hierro es: PF=1,808 °C PE=3,023 °C Ce= 0.45 J/g °C

FUSION=289 J/g VAP.= 6,340 J/g

Solución: 5.- Hallar la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 289 gramos de cobre de 30 ºC hasta 65 ºC.

60

Solución:

Actividad integradora 3 Actividad 3.4.- Contesta las siguientes preguntas 1.- Anota 3 diferencias entre la fusión y la solidificación. a.-_________________________________________________________________ b.-_________________________________________________________________ c.-________________________________________________________________ 2.- Anota 3 diferencias entre la vaporización y la condensación. a.-_________________________________________________________________ b.-_________________________________________________________________ c.-________________________________________________________________ 3.- Anota 3 diferencias entre la sublimación progresiva y la sublimación regresiva. a.-_________________________________________________________________ b.-_________________________________________________________________ c.-________________________________________________________________ 4.- Anota la diferencia entre la ebullición y la evaporación. __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ____________________________________________________ 5.- Anota la diferencia entre la licuación y la condensación. __________________________________________________________________________ ___________________________________________________________ __________________________________________________________________ 6.- Explica un ejemplo que observes en tu vida cotidiana de un cambio de estado en donde se verifique la: a)Fusión:___________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________ b) Ebullición:_______________________________________________________ 61

__________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ___________________________________________________ c)Evaporación:______________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________ d) Sublimación progresiva _____________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ e) Sublimación regresiva ______________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ___________________________________________________ f) Solidificación:____________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ____________________________________________________ g) Condensación:_____________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ___________________________________________________ h) Licuación:_________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ____________________________________________________________ 7.- Anota la diferencia entre el punto de fusión y el punto de congelación. __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 8.- Anota la diferencia entre el punto de ebullición y el punto de condensación. __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ____________________________________________________ 9.-Si sabemos que el calor latente de fusión del hielo es de 335 joule/g y si tenemos 1 gramo de hielo a punto de fusión de 0 °C, ¿qué tenemos que hacer y cuánto calor se tiene que agregar o quitar para que se convierta en agua? 62

__________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ____________________________________________________ 10.- Si sabemos que el calor latente de solidificación del agua es de 335 joule/g si tenemos 1 gramo de agua a 0 °C, ¿qué tenemos que hacer y cuánto calor se tiene que agregar o quitar para que se convierta en hielo? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ____________________________________________________ 11.- Sabemos que el punto de fusión del alcohol es de -117 °C y su punto de ebullición es de 78 °C, anota entre qué temperaturas el alcohol es: a) Sólido b) Líquido vaporización.

c) Gaseoso

d) Experimenta una fusión

e) Experimenta una

__________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ____________________________________________________ 12.- Si sabemos que el calor específico del agua es de 4.2 joule/g °C y si tenemos un gramo de agua a 10 °C, ¿cuánto calor se requiere aplicar o quitar para qué?: a) Pase a 11 °C

b) Pase a 9 °C

__________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ____________________________________________________ 13.- ¿Qué diferencia hay entre el calor latente de fusión y el calor latente de vaporización? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ____________________________________________________ 14.- ¿Por qué se dice que los cambios de estado se realizan a temperatura constante si se está aplicando o quitando calor? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ____________________________________________________ 15.-¿Qué diferencia hay entre la niebla y las nubes? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _______________________________________ 63

16.- Qué diferencia hay entre evaporación y ebullición? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ______________________________________________

MÓDULO IV

GASES

64

Actividad preliminar 4.0 1.- ¿Qué es un gas? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 2.- ¿Sabes cuáles son las propiedades de los gases? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 3.- ¿Por qué crees que los gases son tan diferentes de los sólidos y los líquidos? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 4.- ¿En dónde encuentras los gases dentro de tu casa? anota 3 ejemplos. __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ___________________________________________________ 5.- ¿En dónde encuentras gases en la calle y en el ambiente? anota 3 ejemplos. __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ___________________________________________________ 6.- Anota 3 ejemplos de tu vida cotidiana de fenómenos en donde observes que interactúan los gases contigo. __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ___________________________________________________ 7.- En el funcionamiento de tu cuerpo intervienen de manera muy importante los gases, explica ¿cuáles son los gases que intervienen y en qué parte de tu cuerpo? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 8.- ¿Sabes cómo se licua un gas? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 9.- ¿Por qué a los líquidos y gases se les llama fluidos? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________

65

10.-¿Qué es presión? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 11.- ¿Tú crees que el aire pese?, ¿por qué? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 12.- ¿Qué entiendes por presión atmosférica? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 13.- ¿Cómo se mide la presión atmosférica? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 14.- ¿Dónde es mayor la presión atmosférica, en la cima de una montaña o al nivel del mar? ¿por qué? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ______________________________________________ 15.-¿por qué no sentimos la presión atmosférica? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ______________________________________________ 16.-¿Por qué el vidrio de las ventanas no se quiebra con la presión atmosférica? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 17.- ¿Cómo se licúa un gas? Por ejemplo el que usas para cocinar. __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ____________________________________________________ 18.- ¿Cuál es la diferencia fundamental entre los líquidos y gases? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 66

Características de los gases Los gases son muy semejantes con los líquidos, es por ello que se les llama fluidos. La diferencia principal entre ellos es que, en los gases sus moléculas están muy separaras, se mueven en línea recta. Los gases al estar muy separadas sus moléculas se pueden mover con mayor facilidad, no tienen forma definida y adquieren el volumen del recipiente que lo contiene, solamente si el gas es muy grande, como por ejemplo en atmósfera, es la gravitación quien determina la forma del gas.

Teoría cinético molecular de los gases

Ecuación fundamental del modelo del gas ideal

Presión Se define como:

Experimento 1. 67

Materiales:  Un globo.  Una botella  Plastilina.  Un trozo de manguera delgada (que pueda entrar en la botella)  Cinta diurex

Procedimiento. 1.-Pega un extremo de la manguera con la boquilla del globo con la cinta diurex. 2.- Infla el globo tapándolo con tu mano para que no se desinfle. Quita tu mano del globo. ¿Qué sucede?__________________________________¿Por qué?______________________________________________________________________ __________________________________________________________. 3.- Ahora coloca el globo junto con la manguera dentro de la botella, infla el globo, tapa el extremo de manguera con tu mano, sella bien la boquilla de la botella con plastilina, quita tu mano del extremo de la manguera. ¿Qué sucede?________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ____________________________________________________________ ¿Por qué? __________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ____________________________________________________________ Conclusiones: __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________

Experimento 2. 68

Materiales:  Lata metálica (Por ejemplo de refresco)  Mechero bunsen.  Agua.  Recipiente  Pinzas. Procedimiento 1.-Vacía agua al recipiente a la temperatura ambiente. 2.-Vacía agua a la lata metálica. 3.-Prende el mechero bunsen, y con las pinzas sujeta la lata metálica, acercándola a la llama, hasta que el agua llegue a su punto de ebullición. 4.-Mete la lata al recipiente con agua rápidamente boca abajo. ¿Qué sucedió? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ____________________________________________________ Explica tu respuesta. __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ______________________________________. Conclusiones. __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ______________________________________. Presión de los gases La presión de los gases como es el caso de la atmósfera se miden con un instrumento llamado barómetro, de los cuales hay dos tipos, el aneroide y el de mercurio.

69

Fig. 4.2 El barómetro aneroide mide la presión del aire a través de los cambios de tamaño de una cámara de vacío.

El barómetro de mercurio como se muestra en la figura 4.3 fue creado por el Evangelista Torricelli. Consiste en llenar de mercurio un tubo delgado de vidrio mayor a 76 cm de longitud y cerrado por un extremo; se tapa el otro extremo y se sumerge en una cubeta que contenga también mercurio; se destapa el extremo superior y veremos que el mercurio del tubo desciende unos centímetros, dejando en la parte superior un espacio vacío. Fig. 4.3 Barómetro La presión atmosférica normal es aquella que se mide al nivel del mar que equivale a 101.325 kPa (kilopascales) elevando 760 mm de Mercurio (Hg). Unidades de presión y sus conversiones 1 atm= 760 mm de Hg= 101.325 kPa Presión manométrica Es la diferencia entre la presión (absoluta) y la atmosférica, matemáticamente se puede expresar: Pmanométrica=Pabsuluta- Patmosférica Por ejemplo un balón de futbol, está sometido a dos presiones, la manométrica que fue la que se aplico al inflar el balón y la otra es la atmosférica, si se desinfla únicamente tendrá la atmosférica, y la suma de las presiones manométricas y atmosférica es igual a la presión absoluta. Pabsoluta=Pmanométrica+ Patmosférica 70

La presión manométrica suele medirse a través de un instrumento que se llama manómetro, cuyo funcionamiento se basa en los mismos principios de los barómetros.

Fig. 4.4 Manómetro

Dilatación de gases

LEYES DE LOS GASES 71

Para comprender mejor la ley de Boyle hagamos el siguiente experimento en equipos de cuatro integrantes, tu profesor te dará indicaciones: Materiales  Una jeringa sin aguja Procedimiento: 1.-Llena la jeringa de aire hasta la máxima capacidad. 2.-Con un dedo tapa la salida de la jeringa, impidiendo que escape el aire. 3.-Empuja el émbolo con fuerza hasta comprimir el gas lo máximo posible. Observa el volumen del émbolo y registra el dato. 4.- Ahora que los demás compañeros de equipo repitan los tres primeros pasos, para ver quien de ellos logra comprimir más el aire. Anota tus conclusiones __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ______________________________________ ¿Por qué disminuye el volumen del aire? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________

Ejemplos de la ley de Boyle

72

1.-Un globo tiene 5 litros de volumen a una presión de 1 atmósferas. Es anclado con un objeto pesado a un lago donde se sumerge el globo a una profundidad de 15m ¿Cuál es el volumen a esta profundidad? Sabiendo que 1m de profundidad ejerce 0.096 atm. Datos:

Fórmula y despeje:

Sustitución y operaciones

Desarrolla tus habilidades 1.-Una masa de hidrógeno tiene un volumen de 100 litros a una presión de 0.75 atm, si se modifica la presión a 145,000 Pa, calcula el volumen final del gas.

2.-¿Hallar el volumen de un gas a una presión de 3 atm se necesita para llenar un recipiente de 200 cm3 bajo una presión de 35 atm?

3.- A una presión de 250 kPa se encuentra un gas en un recipiente de 0.08 m3. Si el volumen llega hasta 0.240 m3 ¿Cuál es su presión?

4.- Un gas hidrógeno está sometido a una presión atmosférica de 30 kPa con un volumen de 8.5 lts. ¿Qué presión se necesita para que adquiera un volumen de 2.25 lts, permaneciendo la temperatura y masa constante?

73

LEY DE CHARLES: Aproximadamente unos cien años después de Boye, surge un francés científico y piloto Jacques Charles (1746-1823) se preocupo en estudiar la relación entre el volumen y la temperatura. Charles descubrió que el volumen de un gas depende linealmente de su temperatura, siempre y cuando permanezca constante su presión. El hizo varios experimentos, aumentaba la temperatura absoluta de un gas permaneciendo constante su presión, observó que también aumentaba su volumen, también hacía la operación inversa, bajando la temperatura y disminuía su volumen.

Ejemplos de la ley de Charles 1.-Dentro de un recipiente de 200 ml se encuentra un gas a una temperatura de 12 °C. ¿Cuál será su volumen a una temperatura de 30 °C, permaneciendo constante su presión? Datos V1= 200 ml

Fórmula

Sustitución (

(

T1= 12°C+273=285°K V2=? T2=30°C+273=303°K

Sol. 212.63 ml

2.-Un cierto gas a una temperatura de 47°C ocupa un volumen de 300 cm3. ¿Cuál debe ser su temperatura en ºC para que ocupe un volumen de 450 cm3?

Desarrolla tus habilidades 1.-Una cierta masa de un gas tiene un volumen de 30 lts. A una temperatura de 60°C. ¿Cuál será su temperatura para que ocupe un volumen de 73 lts?

74

2.-Una masa gaseosa a una temperatura de 89°C ocupa un volumen de 150 cm3. ¿Cuál debe ser su temperatura en ºC para que ocupe un volumen de 250 cm3?

3.- ¿A qué temperatura se encuentra un gas que ocupa un volumen de 125 cm3 si a 120°C ocupa un volumen de 800 ml, si la presión es constante?

4.- Cincuenta litros de Oxígeno a tiene una temperatura de 50°C. ¿Cuál será su volumen si su temperatura disminuya hasta -10°C?

5.-Un globo de helio tiene un volumen de 80 litros a una temperatura de 35°C. ¿A qué temperatura su volumen sería solamente 35 litros?

LEY DE GAY LUSSAC El científico que encontró la relación entre la presión y la temperatura fue Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850). El comprobó en sus experimentos que si permanece el volumen constante la presión y la temperatura absoluta varían linealmente, es decir aumenta su presión aumenta su temperatura o viceversa. 75

Ejemplos de la ley de Gay-Lussac 1.-Un tanque contiene oxígeno a una presión de 1.25 atm a una temperatura de si modificamos su temperatura a 125 °C, ¿cuál será la presión final del oxígeno? DATOS P1=1.25 atm T1=-30 °C °K=°C+273=-30+273=243 °K T2=125 °C en °K °K= °C +273=125+273=398 °K

-30 °C,

FÓRMULAS P1T2=P2T1

SUSTITUCIÓN y DESPEJE P1T2=P2T1 P2=P1T2/T1 =

(

(

= 2.047 atm

1.-Un tanque contiene oxígeno a una presión de 5.7 atm a una temperatura de ¿cuál será su presión a una temperatura de 87°C?

12 °C,

2.-Un globo de helio recibe una presión de 25 kPa a una temperatura de 22°C. ¿Cuál será la temperatura del globo si su presión es 73 kPa?

3.-En una caja metálica se encuentra un gas a una presión de 49 kPa cando su temperatura es de 180°F. ¿Cuál es su temperatura en °F si su presión es de 20 kPa?

76

LEY GENERAL DE LOS GASES Si combinamos las leyes de Boyle, Charles y Gay-Lussac se puede obtener una ecuación que relacione las variables: presión, volumen y temperatura, permaneciendo constante la masa. Esta ley establece que ―a masas constantes, el volumen de un gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta e inversamente proporcional a la presión a la que se encuentre sometido‖. Matemáticamente la podemos expresar de la siguiente manera:

Ley de Avogadro.El físico italiano Amadeo Avogadro (1776-1856) formuló en 1811 su hipótesis que señala que en volúmenes iguales de diferentes gases que se encuentren a la misma temperatura y condiciones de presión, se encuentran contenidas el mismo número de moléculas, además de concluir que los gases como el oxígeno, nitrógeno e hidrógeno se presentan en la naturaleza en forma diatómica ( O2,N2 e H2 ). Es aquí que se deduce que el conocido como número de Avogadro equivale a 6.02 x 1023 moléculas por mol, además de que la densidad de un gas es directamente proporcional a su masa molecular: ρ=M

Ejemplos de la ley general de los gases 1.-Una masa de hidrógeno tiene un volumen de 450 litros cuando está a una presión de 850 mm de Hg y una temperatura de 15 °C, si cambia su presión a 0.85 atm y su temperatura a 95 °C, ¿cuál será el volumen final del hidrógeno? DATOS V1=450 L P1=850mm de Hg=1.1184 atm 1 atm=760 mm de Hg X atm=850 mm de Hg P2=0.85 atm=646 mm de Hg

FÓRMULAS

P1V1T2=P2V2T1 77

1 atm=760 mm de Hg 0.85atm=x mm de Hg T1=15 °C=288°K T2=95 °C=368°K SUSTITUCIÓN Y DESPEJE P1V1T2=P2V2T1

V2= P1V1T2/ P2T1

V2= (850mm de Hg)(450 L)(368°K)/ (646 mm de Hg)(288°K) = 756.579 L

Actividad Una muestra de 35 litros de un gas a una temperatura de 10ºC a una presión atmosférica de 110 kPa. La temperatura es disminuida a -20 ºC, la presión aumenta hasta 150 kPa. ¿Cuál es el nuevo volumen de la muestra de gas?

2.-Un gas se encuentra dentro de un recipiente 7 litros, se le aplica una presión de 90 kPa y su temperatura de 19ºC. ¿Cuál será su temperatura si recibe una presión de 50 kPa y su volumen de 5.5 litros?

3.-Una masa de un gas ocupa un volumen de 256 cm3 a una temperatura de 40ºC y una presión de 4 atm. ¿Cuál será su presión si su temperatura aumenta hasta 73ºC y su volumen 300 cm3?

78

4.-Se tienen 600 cm3 de oxígeno a una presión de 185,000 pascal y a una temperatura de 20 °C, si se cambia su presión a 0.8 atm y su temperatura a 50 °C, calcula ¿cuál será el volumen final del oxígeno?

Actividad Integradora 1.-Mencione al menos dos ejemplos de la ley de Boyle relacionada con tu vida cotidiana. 1._________________________________________________________________________ ___________________________________________________________ 2.__________________________________________________________________________ ____________________________________________________________ 2.-Mencione al menos dos ejemplos de la ley de Charles relacionada con tu vida cotidiana. 1._________________________________________________________________________ ___________________________________________________________ 2.__________________________________________________________________________ ____________________________________________________________ 3.-Mencione al menos dos ejemplos de la ley de Gay-Lussac relacionada con tu vida cotidiana. 1._________________________________________________________________________ ___________________________________________________________ 2.__________________________________________________________________________ ____________________________________________________________ 4.-Si comprimes un globo reduciendo su volumen hasta su mitad del valor inicial. ¿Cuánto aumenta la presión en el interior del globo? __________________________________________________________________________ ____________________________________________________________

79

5.-Investiga ¿en qué consiste el globo aerostático? ¿cuál es el principio físico que se aplica? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _______________________________________ 6.- Si tenemos dos botellas de igual tamaño, una llena de aire y la otra con hidrógeno, ¿Cuál de ellos pesaría más? ¿por qué? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ______________________________________________ 7.-Investiga ¿Cómo puedes hacer un globo aerostático casero y elabóralo? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ______________________________________________

8.-¿Qué diferencia hay entre un barómetro y un manómetro? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 9.- ¿A qué equivale un Pascal? ___________________________________________________________________

10.- ¿Es constante el valor de la presión atmosférica en la superficie de la tierra? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________

80

MÓDULO V TERMODINÁMICA Actividad Preliminar 1.- ¿Sabes qué estudia la termodinámica? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ___________________________________________________ 2.- La energía calorífica o térmica tiene transformaciones en otras energías y viceversa, en tu vida cotidiana siempre ocurren estas transformaciones, recuerda cuando corres y sudas, esta es una transformación de la energía mecánica (el trabajo que realizas para correr) en energía calorífica (el calor que desprendes de tu cuerpo y sudas), recuerda otras transformaciones del calor y anota 3 situaciones. __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 3.- ¿Sabes qué es una máquina térmica?, ¿cómo crees que funciona? _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________ 81

4.- ¿Qué entiendes por eficiencia? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ___________________________________________________ 5.- ¿Crees que todas las máquinas logren obtener un 100% de eficiencia?, ¿por qué? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ___________________________________________________ 6.- ¿Para ti qué es un sistema termodinámico? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ___________________________________________________ 7.- ¿Qué significa que una pared sea adiabática? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ___________________________________________________

8- ¿Qué significa que una pared sea diatérmica? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ___________________________________________________

Actividad 5.1 1.-Calcular la variación de la energía interna en Joules, de un proceso termodinámico en el cual se reciben 990 cal y al realizar un trabajo de 1150 J.

82

Solución: 2.-Hallar el trabajo realizado al suministrarle 850 Cal a un sistema, cuando la variación de su energía interna es de 1550 J.

Solución: 3.- ¿Cuánto calor en calorías se le suministran a un sistema termodinámico, cuando la variación de su energía interna es de 700 J, al realizar un trabajo de 310 J.

Solución:

4.-Calcular la variación de la energía interna en Joules, de un proceso termodinámico en el cual se reciben 580 cal y se realiza sobre el sistema un trabajo de 436 J.

Solución:

83

5.-Un sistema termodinámico realiza trabajo en situaciones diferentes, calcula la variación de la Energía Interna (∆U) cuando: a) El sistema absorbe 750 cal y al mismo tiempo realiza un trabajo de 500 J b) El sistema absorbe 600 cal mientras se efectúa un trabajo sobre el de 400 J c) Se expulsan 1,000 cal manteniendo su Volumen constante.

Solución:

6.-Calcular el Trabajo realizado y la variación de la Energía Interna cuando un cubo de hierro de 15 cm de lado y masa 5,000 gr se calienta desde -15°C hasta 275 °C, los datos del Fe son: CFe=0.11 cal/gr °C Coeficiente de dilatación volumétrica Fe= 0.000036/°C y Presión atmosférica = 1x105 Pa

Solución:

84

7.-Un sistema termodinámico realiza trabajo en situaciones diferentes, calcula la variación de la Energía Interna (∆U) cuando: d) El sistema absorbe 750 cal y al mismo tiempo realiza un trabajo de 500 J e) El sistema absorbe 600 cal mientras se efectúa un trabajo sobre el de 400 J f) Se expulsan 1,000 cal manteniendo su Volumen constante.

8.- Calcular el Trabajo realizado y la variación de la Energía Interna cuando un cubo de hierro de 15 cm de lado y masa 5,000 gr se calienta desde -15°C hasta 275 °C, los datos del Fe son: CFe=0.11 cal/gr °C Coeficiente de dilatación volumétrica Fe= 0.000036/°C y Presión atmosférica = 1x105 Pa

Segunda ley de la termodinámica No es posible convertir completamente calor en trabajo, pero sí trabajo en calor. Así pues, mientras, según la primera ley, calor y trabajo son formas equivalentes de intercambio de energía, la segunda ley varía radicalmente su equivalencia, ya que el trabajo puede pasar íntegramente a calor pero el calor no puede transformarse íntegramente en trabajo, esto nos explica que nunca se podrá construir una maquina que transforme todo el calor en trabajo, o sea que nunca existirá una máquina 100% eficiente. A una máquina térmica se le suministran 25,000 cal, de las cuales se disipan un total de 16,000 cal, calcula cuanto es el trabajo realizado y cuál es su eficiencia. DATOS Q1= 25,000 cal= 105,000 J Q2= 16,000 cal= 67,200 J

FÓRMULAS W= (Q1) – (Q2) = Joule e=

SUSTITUCIÓN Y DESPEJES W= (Q1) – (Q2)= 105,000 J-67200 J=37,800 J

85

e=

=37,800 J/105,000 J =0.36=36%

Calcula la temperatura del lugar de salida de una máquina térmica que trabaja con una eficiencia del 25% si su temperatura del punto donde se suministra el calor es de 400 °C.

Datos e incógnitas e=25%=0.25 T2=? T1=400°C=673°K

FÓRMULAS

Despejes y sustitución: ; despejando T2 tenemos Sustituyendo valores, tenemos: ( ( (

(

(

Solución: 504.75ºK=231.75ºC 5.- a) Hallar el rendimiento ideal de una máquina de vapor que trabaja entre 60 ºC y 160 ºC. b) ¿cuál debe ser la temperatura de la fuente caliente para que el rendimiento sea del 45%? Datos e incógnitas: a) T1=160 ºC+273º=433 ºK

Fórmula:

Sustitución (

T2=60 ºC+273º=333 ºK e=? Solución: 23% b) T1=?

Despejando la fórmula

T2=60ºC+273º=333ºK e=45%=0.45

(

86

Sustituyendo, tenemos: Solución: T1= 332.4545 ºC

Actividad 5.2 1.- Una máquina térmica tiene un suministro de 950,000 cal, si su eficiencia es del 27%, ¿cuál es el trabajo realizado y el calor disipado?

Solución:

2.-Una máquina de vapor tiene una temperatura al suministro de energía de 450 °C y en el punto de disipación del calor su temperatura es de 197 °C, calcula la eficiencia.

Solución 3.-Calcula la eficiencia y el trabajo realizado de una máquina térmica que tiene un suministro de 1’175,000 cal y se utilizan para calentar 5 kg de agua desde 15 °C hasta 90 °C, Ce(agua)=1 cal/g °C=4.2 J/g °C 87

Solución: 4.-Una maquina térmica tiene una eficiencia del 28%, se utiliza para realizar un trabajo que consiste en pasar 100 g de hielo a -10 °C en 100 g de agua a 50 °C, calcula cuál es el calor suministrado y el calor disipado. Ce(agua)=1 cal/g °C=4.2 J/g °C, Ce(hielo)=0.51 cal/g °C=2.1 J/g °C, PF(hielo)=0°C,

hielo=335 J/g

Solución: 5.-Cuál es el rendimiento ideal de una máquina de vapor que trabaja entre 70 ºC y 140 ºC. ¿cuál debe ser la temperatura de la fuente caliente para que el rendimiento sea del 35 %?

Solución: 88

Actividad 1.- ¿De dónde proviene la palabra termodinámica y qué significa? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ____________________________________________________ 2.- ¿El estudio de la termodinámica se ocupa de procesos microscópicos o macroscópicos? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ____________________________________________________ 3.- ¿Qué entiende por sistema termodinámico? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ____________________________________________________ 4.- ¿Qué diferencia hay entre un sistema abierto y uno cerrado? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ____________________________________________________

5.- ¿Qué diferencia hay entre un sistema abierto y uno aislado? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ____________________________________________________ 6.- ¿Qué entiende por pared termodinámica?

89

__________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ____________________________________________________ 7.- ¿Qué diferencia hay entre una pared adiabática y una diatérmica? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ____________________________________________________ 8.- Si un sistema es todo cuerpo, espacio, aparato u organismo en donde se producen transformaciones de energía, entonces explica un ejemplo de un sistema que tenga pared termodinámica diatérmica y otro ejemplo de una pared adiabática. __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ____________________________________________________ 9.- Si se suministran 50 Joule de calor a un sistema, ¿cuánto aumentará la energía interna del sistema?, suponiendo que: a) No realiza trabajo externo. b) Realiza un trabajo externo de 15 Joule. __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ____________________________________________________ 10.-Si el cuerpo ¨A¨ está a mayor temperatura que el cuerpo ¨B¨, ¿de cuál cuerpo a cuál cuerpo se transmitirá el calor? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ____________________________________________________ 11.- Si quisiéramos que pasara el calor del cuerpo frío al caliente, ¿cómo lo podemos lograr? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ____________________________________________________ 12.- ¿Se podrá construir una máquina térmica con el 100% de eficiencia?, ¿en qué ley se basa tu respuesta? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ____________________________________________________ 13.- De acuerdo con la entropía, ¿si un sistema se calienta tendrá más o menos entropía?, ¿cómo puedes definir a la entropía? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ____________________________________________________

90

14.- ¿Cuál es el trabajo realizado por un sistema si se reduce su energía interna a 500 Joule sin haberle agregado ni retirado calor? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ____________________________________________________ 15.-Calcula la eficiencia de Carnot de un sistema que funciona con la diferencia de temperatura del agua del fondo a 4 °C y de la superficie a 25 °C. __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ____________________________________________________ 16.- Un sistema tiene 40 % de eficiencia, realiza un trabajo de 600 Joule, ¿cuánto calor se le suministro? y ¿cuánto calor se disipó al exterior? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ____________________________________________________ 17.-A un sistema se le suministra 500 Joule, disipa un total de 400 Joule, ¿cuánto trabajo realiza y cuál es su eficiencia? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ____________________________________________________ 18.-Calcula el trabajo realizado por un sistema cuando se le suministra un calor de 100 Joule si las temperaturas de sus recipientes son: a) T caliente=23 °C y T fría=-10 °C b) T caliente=75 °C y T fría=15 °C

EL REFRIGERADOR El refrigerador funciona a base de un sistema o circuito cerrado de procesos, que opera gracias a un gas refrigerante. Este circuito, de dos procesos, uno de compresión y otro de descompresión del que lo hacen pasar de estado gaseoso a líquido y viceversa. Por de estos dos procesos, el refrigerador es capaz de generar frío interior y liberar el calor a través de la rejilla con que cuenta en la posterior, que también se denomina condensador. Para poder controlar estos procesos, los refrigeradores cuentan con un de termostato para regular el frío de su interior, que controla el de compresión del gas refrigerante.

consta gas, medio para su parte sistema proceso

El refrigerador es un invento que data aproximadamente del siglo XVIII, sin embargo, no fue sino hasta el año 1784 que fue creada la primera máquina para enfriar, su inventor fue William Cullen. Éste aparato utilizaba un líquido refrigerante, el éter nitroso, un líquido de evaporación volátil. Si bien esta máquina lograba enfriar para retardar la descomposición de 91

los alimentos, el primer refrigerador doméstico se creó en el año 1927. Al comienzo solo las familias muy, pero muy ricas podían costear uno de estos aparatos, y con el tiempo se convirtió en una necesidad y en el estándar moderno de un hogar.

DIAGRAMA DEL FUNCIONAMIENTO DEL REFRIGERADOR

Actividad Integradora 1.- ¿Por qué interviene la segunda ley de la termodinámica en el funcionamiento del refrigerador? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 2.- ¿En qué etapa del funcionamiento del refrigerador se produce la absorción del calor dentro de é? ___________________________________________________________________ 92

__________________________________________________________________________ ____________________________________________________________ 3.- ¿En qué etapa del funcionamiento del refrigerador se produce el desalojo del calor afuera de él? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________

4.- ¿Cómo se logra que se lleve a cabo la absorción del calor dentro del refrigerador? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 5.- ¿Cómo se logra que se lleve a cabo el desalojo del calor fuera del refrigerador? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 6.- Explica cómo sería tu vida cotidiana si no existieran los refrigeradores en tu casa. __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________________ 7.-En el sistema del refrigerador ¿los alimentos se enfrían cuando el vapor se convierte en líquido o cuando el líquido se convierte en vapor? Explica tu respuesta. __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ _____________________________________________

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