Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente

BASES FÍSICAS Y QUÍMICAS DEL MEDIOAMBIENTE
Primer curso de la Licenciatura en Ciencias Ambientales
Curso académico: 2008-2009
Asignatura troncal anual de 12 créditos (9 teoría + 3 prácticas)
BASES FÍSICAS DEL MEDIOAMBIENTE
Área encargada de la docencia: Física Aplicada.
Profesores: M. Carmen Gordillo, Feliciano de Soto.
Objetivos: Esta parte de la asignatura es de tipo eminentemente básico y tiene por
objeto recopilar los conceptos de naturaleza física que van a ser necesarios en
asignaturas o actividades de tipo más específico dentro de la licenciatura en Ciencias
Ambientales. Para ello, los estudiantes deberán haber sido capaces de adquirir, al
finalizar el cuatrimestre, las siguientes
Competencias:
a) Conocer e identificar los procesos físicos incluyendo su terminología. Esto
incluye el reconocimiento de que la Física es la base tanto de actividades
científicas más aplicadas, como las relacionadas con la biología o la ingeniería
aplicadas a las Ciencias Ambientales, como de algunas que aparentemente no
tienen nada que ver con la ciencia, como la legislación medioambiental.
b) Adquirir la capacidad de análisis y síntesis y el uso del razonamiento crítico en
ciencia.
c) Utilizar correctamente los diferentes sistemas de unidades.
Contenidos (teoría, 4.5 créditos):
Las clases de la parte de Física de la asignatura se dividirán en clases de teoría,
problemas y de prácticas, éstas últimas a realizar preferentemente en el laboratorio o
aula de informática. El temario de las clases de teoría es el siguiente:
Tema 1: Introducción y conceptos fundamentales
Definición de Física y su relación con las demás ciencias. Método científico. Sistemas
de unidades. Escalares y vectores. Repaso de trigonometría y ecuación de una recta.
Tema 2: Mecánica para las ciencias ambientales
Definición de Mecánica. Posición, velocidad y aceleración. Movimiento circular:
aceleración centrípeta. Movimiento relativo. Aceleración de Coriolis. Conceptos
fundamentales de la dinámica: Leyes de Newton.
Tema 3: Fluidos ideales
Concepto de fluido. Concepto de presión hidrostática. Unidades. Fuerza debida al
gradiente de presiones: viento geostrófico. Ecuación fundamental de la estática de
fluidos. Principio de Arquímedes. Dinámica de fluidos ideales. Ecuación de Bernouilli.
Ejemplos de aplicación de la ecuación de Bernouilli. Difusión: Ley de Fick.
Tema 3: Fluidos no ideales y superficies
Regímenes laminar y turbulento de un fluido. Viscosidad. Ley de Poiseuille. Número de
Reynolds. Fuerzas de arrastre viscosas. Superficies e interfases. Tensión superficial. Ley
de Young-Laplace. Mojado y capilaridad.
Tema 4: Campos eléctricos y magnéticos
Ley de Coulomb. Campo eléctrico. Líneas de campo. Potencial eléctrico. Corriente
eléctrica: ley de Ohm. Resistividad. Fenómenos magnéticos. Fuerza de Lorentz:
Aplicaciones. Campo magnético en diversas circunstancias. Inducción magnética: Ley
de Faraday-Lenz. Generación de energía eléctrica.
Tema 5: Conceptos básicos de la Termodinámica
Sistemas y variables termodinámicos. El equilibrio termodinámico. Procesos
termodinámicos. Concepto de temperatura: principio cero. Escalas termométricas y
medida de la temperatura. El gas ideal. Mezclas de gases.
Tema 6: Termodinámica
Trabajo termodinámico. Energía mecánica y calor. Capacidad calorífica y calor
específico. Energía interna: Primer principio de la termodinámica. Entalpía. Segundo
principio de la Termodinámica: concepto de entropía. Otras funciones termodinámicas.
Aplicaciones a la atmósfera. Cambios de fase. Diagramas de fase de sustancias puras
Tema 7: Ondas
Movimiento ondulatorio. Características de las ondas. Tipos de ondas. Interferencias:
ondas estacionarias. Intensidad. Propiedades del sonido: escala de decibelios. Ruido y
su atenuación. Luz: lentes.
Tema 8: Radiactividad
El núcleo atómico: radiactividad. Exposición a la radiación. Reacciones nucleares
artificiales.
Tema 9: La Física y el clima
Factores que determinan el clima de la Tierra. Cambio climático: factores naturales.
Mediciones de la temperatura terrestre. Efecto invernadero. Predicciones para el futuro.
Metodología de las clases de teoría:
Este temario se desarrollará durante las clases de teoría. La temporización no está
fijada para que el profesor tenga libertad de dedicar más o menos tiempo a cada tema en
función de las dificultades sobrevenidas dependiendo del nivel de la clase. En clase se
utilizarán transparencias de Power Point para las explicaciones. Es conveniente que los
estudiantes sigan las clases utilizando una copia en papel de dichas transparencias. Esta
copia podrá adquirirse directamente en la copistería de la Universidad, o será accesible
directamente a través de la plataforma WebCT. En ningún modo la adquisición de estas
copias es obligatoria.
Después de cada uno de los temas se darán una o varias clases de problemas para
reafirmar y/o complementar los conceptos fundamentales dados en cada uno de ellos.
Las hojas de problemas se darán con anticipación, serán los mismos estudiantes los que
deberán resolverlos en clase, bien individualmente en la pizarra o bien conjuntamente
en grupos de varios estudiantes dirigidos por el profesor. Éste podrá también proponer
problemas u otro tipo de actividades de mayor nivel de complejidad que los de los
boletines a través de la plataforma WebCT, que podrán ser entregados voluntaria e
individualmente a través de dicha plataforma.
Bibliografía:
Como apoyo a las explicaciones dadas en clase los estudiantes pueden también
consultar el siguiente texto, que se hallará disponible en la biblioteca de la universidad:
Para la parte de Física:
Jaque de Rechea, Francisco, Aguirre de Cárcer, Iñigo. Bases de la Física
Medioambiental. 1ª edición. Ariel Ciencia 2002.
En este texto se basará gran parte del temario de teoría de la parte de Física de la
asignatura, aunque no todo. Alternativamente, puede utilizarse el siguiente libro:
Wilson, J.D, Buffa, A.J., Lou, B. Física. Quinta edición. Editorial Prentice Hall
(2003).
Que tiene un enfoque menos medioambiental. Ambas obras están situadas en la sección
de manuales de la biblioteca. En el caso de no encontrarse accesibles estos dos libros,
pueden consultarse los siguientes textos de nivel similar:
Giancoli, D.G. Física para universitarios (2 volúmenes). Tercera edición. Editorial
Prentice Hall (2002)
Giancoli. D.G. Física. Fundamentos y aplicaciones. Cuarta edición. Editorial Prentice
Hall.
Kane, J.W. Sternheim, M.M, Física. Segunda edición. Editorial Reverté (1998).
Contenidos (prácticas, 1.5 créditos):
Las prácticas de laboratorio están pensadas para que el estudiante pueda comprobar que
los conceptos dados en clase se derivan del experimento, procurándose que éstas cubran
todo o casi todo el temario de teoría. Se realizarán cinco prácticas de tres horas cada una
con arreglo al siguiente orden:
Práctica 1: Mecánica
Práctica 2: Análisis de datos
Práctica 3: Fluidos
Práctica 4: Calorimetría
Práctica 5: Ondas
Cada práctica se realizará después de haber dado en clase la parte de teoría
correspondiente.
Objetivos específicos de las prácticas:
Son dos:
a) El alumno deberá aprender a seguir al pie de la letra los guiones de prácticas,
discerniendo los fundamentos físicos de cada uno de los pasos y/o experimentos
a realizar.
b) Los estudiantes deberán ser capaces de analizar los datos obtenidos en el
laboratorio obteniendo toda la información que se pueda deducir de ellos a partir
de los modelos teóricos dados en clase de teoría.
Metodología (prácticas):
La asistencia a prácticas es obligatoria. Cada práctica tendrá su correspondiente
guión, que el estudiante debe leerse antes de entrar en prácticas. Durante la primera hora
de prácticas, el profesor dará una charla acerca de la relación de lo que se va a hacer con
lo ya dado en clase y en la que se asegurará de que los estudiantes han entendido el
contenido de los guiones, contestando a todas sus dudas. Se hará especial hincapié en
los objetivos detallados en el párrafo anterior.
Las dos primeras prácticas están diseñadas específicamente para que los estudiantes
realicen todo el proceso de toma y análisis de datos, teniendo en cuenta todas las
variables involucradas, incluyendo el cálculo de errores. Para plasmar adecuadamente
sus conclusiones, los alumnos deberán realizar una memoria conjunta de estas dos
prácticas en la que se vea reflejado este proceso y su relación con el método científico.
En el resto de prácticas, se prestará más atención a los fenómenos específicos y a su
conexión con la teoría, pudiendo tener que hacer para ello cálculos sencillos.
Los estudiantes deberán llevar obligatoriamente al laboratorio una calculadora
científica. Deberán también leerse antes de la primera práctica las normas de
funcionamiento y comportamiento en el laboratorio de Física para evitar
accidentes.
Evaluación (parte de Física):
En este apartado se da la información necesaria para aprobar la parte de Física de la
asignatura, siempre que se apruebe por parciales (ver evaluación final de la asignatura al
final de esta guía).
Habrá un examen de teoría que abarcará toda la materia de la parte de Física y se
realizará en febrero. En este examen no habrá temas a desarrollar y estará compuesto
íntegramente por problemas o cuestiones del mismo tipo que las aparecidas en las hojas
de problemas.
La evaluación de las prácticas de Física se hará de la siguiente manera:
a) Para aprobar las prácticas será necesario ir a todas las sesiones de prácticas. Si la
asignatura se suspende y se ha ido a todas las sesiones de prácticas, no será
necesario repetir los laboratorios en los cursos siguientes.
b) Entrega de la memoria conjunta de la primera y segunda práctica. La entrega de
esta memoria es obligatoria y sin ella se suspende esta parte de la asignatura.
c) En el examen de teoría se incluirá una pregunta relativa a cualquiera de las tres
últimas prácticas, que contará en el cómputo total del examen de la misma
manera que el resto de las preguntas incluidas en el mismo. No se permitirá
ningún tipo de material de apoyo, excepto calculadora.
Para aprobar la parte de Física por parciales se necesita conjuntamente haber realizado
todas las prácticas, haber entregado la memoria conjunta de las dos primeras y que la
puntuación del examen sea igual o superior a 5. Si no se cumplen alguno de estos tres
requisitos el estudiante debe consultar la parte de la evaluación final de la asignatura.
Los estudiantes podrán mejorar su nota realizando actividades voluntarias. Estas
podrán constar de una serie de actividades colgadas de la web y/o uno o varios
problemas de mayor nivel que el profesor propondrá y que deberán ser resueltos
individualmente por cada estudiante. También serán candidatos a una subida de nota de
teoría los alumnos que entreguen una memoria conjunta de las dos primeras prácticas de
alta calidad. Los alumnos podrán subir hasta un punto por estos medios.
Entre las actividades voluntarias está la participación en los exámenes virtuales de la
parte de Física. Éstos consisten en dos o más exámenes de 30 minutos a realizar en el
aula de informática y de carácter voluntario. Éstos se realizarán después de haber dado
en clase de teoría el o los bloques temáticos a los que corresponda la asignatura. Para
que la participación en los exámenes virtuales mejore la nota, el estudiante deberá
presentarse a todos ellos y tener una media de aprobado. Si no se cumplen
simultáneamente las dos condiciones, el estudiante no podrá subir nota por ese medio.
Si ambas condiciones se cumplen, la subida de la nota será un 20% de la media de los
exámenes. Por ejemplo, una media de 8 puntos equivale a una subida de nota de 1.6.
Para que la nota se mejore por cualquiera de estos métodos, es necesario que la nota del
examen sea mayor o igual a 4.
BASES FÍSICAS DEL MEDIOAMBIENTE
Área encargada de la docencia: Química Física
Profesores: Juan Antonio Anta y Tania López.
Contenidos (teoría, 4.5 créditos):
Tema 10: Conceptos básicos de la química
Repaso de las leyes ponderales de la Química y su fundamento microscópico. Repaso
de unidades y medidas en Química: el mol. Cálculos estequiométricos básicos: reactivo
limitante y reactivo en exceso. Repaso de formulación y unidades de concentración.
Tema 11: Introducción a la estructura de la materia
Partículas fundamentales: protón, neutrón y electrón. Espectro electromagnético. Bases
cuánticas de la estructura electrónica de los átomos. Números Cuánticos y Orbitales.
Átomo de Hidrógeno. Átomos polielectrónicos y configuraciones electrónicas.
Tema 12: Clasificación Periódica de los Elementos
Relación entre configuración electrónica y las propiedades químicas de los elementos.
Clasificación periódica de los elementos. Propiedades atómicas: radio atómico, energía
de ionización, afinidad electrónica y electronegatividad.
Tema 13: El Enlace Químico
Concepto de enlace químico: enlace iónico y enlace covalente. Geometría molecular:
teoría VSEPR. Hibridación de orbitales atómicos. Concepto de orbital molecular:
orbitales moleculares localizados y deslocalizados.
Tema 14: Fuerzas Intermoleculares y estados de agregación.
Concepto de fuerza intermolecular. Momento dipolar y polarizabilidad. Fuerzas de
dispersión. El enlace de hidrogeno. Sólidos: estructura cristalina. Gases: Ecuación de
los gases. Líquidos: propiedades generales y propiedades particulares del agua.
Tema 15: Termodinámica Química
Primer Principio de la Termodinámica. Termoquímica y Ley de Hess. Segundo
Principio de la Termodinámica. Entropía, energía libre y procesos espontáneos.
Cambios y diagramas de fase. Presión de vapor. Propiedades físicas de las disoluciones.
Tema 16: Equilibrio Químico.
Constante de equilibrio. Factores que afectan el equilibrio químico y Principio de Le
Chatelier. Equilibrios ácido-base. Equilibrios de solubilidad.
Tema 17: Cinética Química
Velocidad de las reacciones químicas. Energía de activación. Factores que influyen en
la velocidad de reacción. Catálisis.
Tema 18: Electroquímica
Reacciones de oxidación-reducción. Potencial de electrodo. Ecuación de Nernst. Celdas
electroquímicas. Corrosión.
Tema 19: Química Orgánica
El carbono como elemento: introducción a la química orgánica. Hidrocarburos. Grupos
funcionales. Isómeros. Macromoléculas artificiales y naturales. Reacciones orgánicas.
Identificación de compuestos orgánicos.
Tema 20: Introducción a la Química Ambiental.
Contaminación de aire, aguas y suelos. Análisis y cuantificación de contaminantes.
Bibliografía:
Como apoyo a las explicaciones dadas en clase los estudiantes pueden también
consultar los siguientes textos, que se hallarán disponibles en la biblioteca de la
universidad:
Textos básicos:
-Pretrucci and Harwood. “Química General” 8ª edición. Prentice Hall, 2003.
En estos textos se basarán muchos de los ejemplos a desarrollar en clase y contiene todo
el temario de la parte de Química de la asignatura. En el caso de no encontrarse
accesibles estos dos libros, pueden consultarse los siguientes textos de nivel similar:
Textos alternativos:
-R.Chang, “Química”, 7ª.ed., McGraw-Hill, 2002.
-K.W.Whitten et al., “Química general”, 5ª.ed., McGraw-Hill, 1998.
- Martin S. Silberberg, “Química general” 2ª ed. MacGraw-Hill, 2002
Alternativamente, si el estudiante tiene problemas de base, puede utilizar la siguiente
colección:
“Base Universitaria. Iniciación a la Química Superior” Anaya, 2004, compuesta por los
siguientes volúmenes:
-Fundamentos de enlace y estructura de la materia, Colacio Rodríguez, Enrique.
-Ideas básicas de química orgánica, Joaquín Campos Rosa, José Antonio Gómez Vidal.
-Iniciación al estudio de la bioquímica, Antonio Gómez Capilla, Carolina Gómez
Llorente : Gómez Capilla, José Antonio.
-Introducción al equilibrio químico, Ana María García Campaña, Luis Cuadros
Rodríguez.
-Lo esencial sobre las reacciones químicas, Esteban de Manuel.
-Operaciones de laboratorio en química, Manuel Fernández González, Fernández
González, Manuel .
-La resolución de problemas en química, Antonio Navarrete Guijosa, Antonio García
Rodríguez .
Contenidos (prácticas, 1.5 créditos):
Práctica 6: Identificación y manejo de material de Laboratorio
Práctica 7: Espectrofotometría
Práctica 8: Destilación
Práctica 9: Equilibrio ácido-base
Práctica 10: Disolución reguladora del pH. Analítica de metales pesados.
Metodología (prácticas):
El primer párrafo de la parte de Física es completamente aplicable aquí. En las parte de
Química de la asignatura es además obligatorio llevar calculadora científica, un
cuaderno tipo DIN A4, bata de laboratorio, gafas de seguridad (que pueden conseguirse
en ferreterías) y guantes de laboratorio (de látex). Las gafas y los guantes son de
utilización obligatoria cuando lo indique el profesor y optativa en los demás casos. A
los laboratorios se entrará única y exclusivamente con este material y lo necesario para
escribir. Los estudiantes deberán dejar el resto de sus pertenencias (mochila, abrigo, etc)
en los lugares habilitados al efecto.
Normas de seguridad en el laboratorio de Química: En la primera práctica de
Química (práctica 6), los estudiantes deberán leer detenidamente el conjunto de normas
de buen comportamiento en el laboratorio exigibles en esta asignatura. Una vez leídas
deben firmar un documento que acredite que las han entendido y que se responsabilizan
totalmente de cualquier consecuencia que una conducta contraria a esas normas pudiera
acarrear. Además, cualquier estudiante que no cumpla alguna de estas reglas será
expulsado inmediatamente del laboratorio.
Evaluación (parte de Química):
En este apartado se da la información necesaria para aprobar la parte de Química de la
asignatura, siempre que se apruebe por parciales (ver evaluación final de la asignatura al
final de esta guía).
Habrá un examen de teoría que abarcará toda la materia de la parte de Química y se
realizará en junio. La evaluación de las prácticas se hará mediante una pregunta
particular del examen de prácticas.
Para aprobar la parte de Química por parciales se necesita conjuntamente haber
realizado todas las prácticas y que la nota de Química sea igual o superior a 5. Si no se
cumplen alguno de estos requisitos el estudiante debe consultar la parte de la evaluación
final de la asignatura.
Evaluación final y calificación de la asignatura
Si los estudiantes han aprobado ambos parciales, su nota final será la media aritmética
de las notas obtenidas en las partes de Física y Química.
Si los estudiantes no han aprobado la asignatura por parciales, hay dos opciones:
a) Realizar un examen final en las convocatorias legalmente establecidas: junio,
septiembre y, en su caso, diciembre (para repetidores). El examen final será del
mismo tipo que los parciales y para aprobarlo bastará con una 5. En este examen
habrá una pregunta relativa a las prácticas.
b) Si en alguno de los parciales, la calificación obtenida está entre 4 y 5 (sobre 10),
se podrá compensar con la nota del otro parcial. Eso significa que si un
estudiante saca un 4 en un parcial, debe sacar un 6 en el otro para aprobar la
asignatura. Una calificación entre 4 y 5 en ambos parciales significa que la
asignatura entera está suspensa.
c) Si un estudiante tiene una parte aprobada y la otra con un suspenso no
compensable podrá examinarse en el examen final solamente de la parte
suspensa. La nota final será la media de ambas notas (parcial aprobado y parte
suspensa del final) y para aprobar la asignatura debe ser mayor o igual a 5. La
nota del parcial aprobado se guardará para septiembre, pero no para cursos
subsiguientes.
LA NOTA DE PRÁCTICAS NO SE GUARDA PARA AÑOS POSTERIORES. Ya
que la parte de prácticas es indivisible de la parte de teoría, aunque alumnos repetidores
no tendrán que asistir de nuevo a las sesiones de prácticas.
El estudiante debe entregar una ficha con una fotografía reciente al profesor durante el
mes de octubre y/o cumplimentar sus datos (incluyendo fotografía reciente) en la
herramienta “ficha” del WebCT correspondiente a la asignatura.