MODULO + FI [1] … pdf

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I.E.
CÁRDENAS CENTRO
MÓDULO DE FÍSICA
CICLO IV
GRADO OCTAVO
2
TABLA DE CONTENIDO
pág.
PRIMER PERÍODO
1.
1.1.
1.2.
TEMPERATURA Y CALOR
CALOR Y FRÍO
CONDUCTORES Y AISLANTES
4
4
4
SEGUNDO PERÍODO
1.
1.1.
1.2.
1.3.
ESCALAS TERMOMETRICAS. APLICACIONES
ESCALA CELSIUS O CENTÍGRADA
ESCALA FAHRENHEIT
ESCALA KELVIN
6
7
7
8
TERCER PERÍODO
1.
1.1.
1.1.1.
1.1.2.
1.2.
1.3.
1.3.1.
1.3.2.
CONSERVACIÓN DE LA MASA EN FLUIDOS EN MOVIMIENTO
CARACTERÍSTICAS DE LOS FLUIDOS (PRESIÓN, DENSIDAD)
Presión
Densidad
PRESIÓN HIDROSTÁTICA
PRINCIPIOS DE PASCAL Y ARQUIMEDES
Principio de Pascal
Principio de Arquímedes
10
10
10
11
13
14
14
15
CUARTO PERÍODO
1.
1.1.
1.2.
1.3.
LOS GASES Y SUS PROPIEDADES
CARACTERÍSTICAS DE LOS GASES
PRESIÓN ATMOSFÉRICA
TENSIÓN SUPERFICIAL
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20
22
23
EVALUACIÓN DE COMPETENCIAS
26
BIBLIOGRAFÍA
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3
PRIMER PERÍODO
1. TEMPERATURA Y CALOR
Los cuerpos no contienen calor ni frío. Pero
todos los cuerpos tienen temperatura.
Cuando un cuerpo está frío, es que su
temperatura es baja.
Cuando está caliente, es que su temperatura es
elevada.
¿Qué ocurre si en un vaso con agua a 15 º C
introducimos un huevo cocido que está a 80ºC?.
Lógicamente, el huevo se enfría y el agua se
calienta. Al cabo de un rato, el huevo y el agua
tienen la misma temperatura: decimos que han
alcanzado el equilibrio térmico.
El huevo ha perdido energía, y el agua ha
recibido energía. Siempre que ponemos en
contacto un cuerpo caliente y uno frío, pasa
energía desde el caliente al frío. Este paso de
energía se llama calor.
Todos sabemos que cuando calentamos un
objeto su temperatura aumenta. A menudo
pensamos que calor y temperatura son lo
mismo. Sin embargo este no es el caso. El calor
y la temperatura están relacionadas entre sí,
pero son conceptos diferentes.
1.2. CONDUCTORES Y AISLANTES
El calor es la energía total del movimiento
molecular
en
una
sustancia,
mientras
temperatura es una medida de la energía
molecular media. El calor depende de la
velocidad de las partículas, su número, su
tamaño y su tipo. La temperatura no depende
del tamaño, del número o del tipo. Por ejemplo,
la temperatura de un vaso pequeño de agua
puede ser la misma que la temperatura de un
cubo de agua, pero el cubo tiene más calor
porque tiene más agua y por lo tanto más
energía térmica total.
1.1. CALOR Y FRÍO
Cuando un cuerpo neutro es electrizado, sus
cargas eléctricas, bajo la acción de las fuerzas
correspondientes,
se
redistribuyen
hasta
alcanzar una situación de equilibrio. Algunos
cuerpos,
sin
embargo,
ponen
muchas
dificultades a este movimiento de las cargas
eléctricas por su interior y sólo permanece
cargado el lugar en donde se depositó la carga
4
neta. Otros, por el contrario, facilitan tal
redistribución de modo que la electricidad afecta
finalmente a todo el cuerpo. Los primeros se
denominan
aislantes
y
los
segundos
conductores.
materiales semiconductores por su importancia
en la fabricación de dispositivos electrónicos que
son la base de la actual revolución tecnológica.
En condiciones ordinarias se comportan como
malos conductores, pero desde un punto de
vista físico su interés radica en que se pueden
alterar sus propiedades conductoras con cierta
facilidad
mejorando
prodigiosamente
su
conductividad, ya sea mediante pequeños
cambios en su composición, ya sea
sometiéndolos a condiciones especiales, como
elevada temperatura o intensa iluminación.
Esta diferencia de comportamiento de las
sustancias respecto del desplazamiento de las
cargas en su interior depende de su naturaleza
íntima. Así, los átomos de las sustancias
conductoras poseen electrones externos muy
débilmente ligados al núcleo en un estado de
semilibertad que les otorga una gran movilidad,
tal es el caso de los metales. En las sustancias
aislantes, sin embargo, los núcleos atómicos
retienen con fuerza todos sus electrones, lo que
hace que su movilidad sea escasa.
A temperaturas cercanas al cero absoluto,
ciertos metales adquieren una conductividad
infinita, es decir, la resistencia al flujo de cargas
se hace cero. Se trata de los superconductores.
Una vez que se establece una corriente eléctrica
en un superconductor, los electrones fluyen por
tiempo indefinido.
Entre los buenos conductores y los aisladores
existe una gran variedad de situaciones
intermedias. Es de destacar entre ellas la de los
ACTIVIDAD……
EXPERIMENTOS SUGERIDOS POR EL DOCENTE DEL ÁREA
RESUELVE……
1. ¿Qué energía térmica es mayor: la de una piscina con agua a 20 ºC o la de un vaso de agua a 25
ºC?
a) La de la piscina.
b) La del vaso de agua.
c) Ambas por igual.
d) No contienen energía térmica, sino calor.
2. ¿Qué energía térmica media es mayor: la de una piscina con agua a 20ºC o la de un vaso de
agua a 25ºC?
a) La de la piscina.
b) La del vaso de agua.
c) Ambas por igual.
d) Todas las partículas tienen la misma energía.
3. Completa la siguiente frase: Cuando se calienta un gas
a) Aumenta su temperatura, pero no su energía térmica.
b) Aumenta su energía térmica, pero no su temperatura.
c) Aumentan tanto la temperatura como la energía térmica.
d) El producto de su energía térmica por su temperatura se mantiene constante.
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SEGUNDO PERÍODO
1. ESCALAS TERMOMETRICAS. APLICACIONES
Existen varias escalas termométricas para medir temperaturas, relativas y absolutas.
A partir de la sensación fisiológica, es posible hacerse una idea aproximada de la temperatura a la que
se encuentra un objeto. Pero esa apreciación directa está limitada
por diferentes factores; así el intervalo de temperaturas a lo largo
del cual esto es posible es pequeño; además, para una misma
temperatura la sensación correspondiente puede variar según se
haya estado previamente en contacto con otros cuerpos más
calientes o más fríos y, por si fuera poco, no es posible expresar
con precisión en forma de cantidad los resultados de este tipo de
apreciaciones subjetivas. Por ello para medir temperaturas se
recurre a los termómetros.
En todo cuerpo material la variación de la temperatura va
acompañada de la correspondiente variación de otras propiedades
medibles, de modo que a cada valor de aquella le corresponde un
solo valor de ésta. Tal es el caso de la longitud de una varilla
metálica, de la resistencia eléctrica de un metal, de la presión de
un gas, del volumen de un líquido, etc. Estas magnitudes cuya
variación está ligada a la de la temperatura se denominan
propiedades termométricas, porque pueden ser empleadas en la
construcción de termómetros.
Para definir una escala de temperaturas es necesario elegir una propiedad termométrica que reúna las
siguientes condiciones:
1. La expresión matemática de la relación entre la propiedad y la
temperatura debe ser conocida.
2. La propiedad termométrica debe ser lo bastante sensible a las
variaciones de temperatura como para poder detectar, con una
precisión aceptable, pequeños cambios térmicos.
3. El rango de temperatura accesible debe ser suficientemente grande.
Una vez que la propiedad termométrica ha sido elegida, la elaboración de una
escala termométrica o de temperaturas lleva consigo, al menos, dos
operaciones; por una parte, la determinación de los puntos fijos o
temperaturas de referencia que permanecen constantes en la naturaleza y,
por otra, la división del intervalo de temperaturas correspondiente a tales
puntos fijos en unidades o grados.
Lo que se necesita para construir un termómetro, son puntos fijos, es decir
procesos en los cuales la temperatura permanece constante. Ejemplos de
procesos de este tipo son el proceso de ebullición y el proceso de fusión.
Existen varias escalas para medir temperaturas, las más importantes son la
escala Celsius, la escala Kelvin y la escala Fahrenheit.
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1.1. ESCALA CELSIUS O CENTÍGRADA
El científico sueco Anders Celsius (1701-1744) construyó por primera vez la escala
termométrica que lleva su nombre. Eligió como puntos fijos el de fusión del hielo y
el de ebullición del agua, tras advertir que las temperaturas a las que se verificaban
tales cambios de estado eran constantes a la presión atmosférica. Asignó al
primero el valor 0 y al segundo el valor 100, con lo cual fijó el valor del grado
Celsius (°C) como la centésima parte del intervalo de temperatura comprendido
entre esos dos puntos fijos.
Para esta escala, estos valores se escriben como 100 °C y 0 °C y se leen 100
grados celsius y 0 grados celsius, respectivamente.
1.2. ESCALA FAHRENHEIT
En 1717 Fahrenheit, un germano-holandés (nació en Dancing y emigró a
Amsterdam), fabricante de instrumentos técnicos, construyó e introdujo el
termómetro de mercurio con bulbo (usado todavía hoy) y tomó como puntos
fijos:
•
•
el de congelación de una disolución saturada de sal común en agua,
que es la temperatura más baja que se podía obtener en un
laboratorio, mezclando hielo o nieve y sal.
y la temperatura del cuerpo humano - una referencia demasiado
ligada a la condición del hombre- .
Dividió la distancia que recorría el mercurio en el capilar entre estos dos estados en 96 partes iguales.
Newton había sugerido 12 partes iguales entre la congelación del agua y la temperatura del cuerpo
humano. El número 96 viene de la escala de 12 grados, usada en Italia en el S. XVII (12*8=96).
Aunque la temperatura de la mejor proporción de hielo y sal es alrededor de -20 ºC Fahrenheit,
finalmente, ajustó la escala para que el punto de congelación del agua (0 ºC en la escala Celsius) fuera
de 32 ºF y la temperatura de ebullición del agua de 212 ºF.
La escala Fahrenheit, que se usa todavía en los países anglosajones, no tenía valores negativos (no se
podían lograr en esa época temperaturas por debajo de cero grados) y era bastante precisa por la
dilatación casi uniforme del mercurio en ese intervalo de temperaturas.
En la Inglaterra victoriana de Guillermo Brown una fiebre que provocara 100 grados de temperatura
libraba al niño de ir a clase ese día.
Con este termómetro de precisión Farenheit consiguió medir la variación de la temperatura de ebullición
del agua con la presión del aire ambiente y comprobó que todos los líquidos tiene un punto de ebullición
característico.
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1.3. ESCALA KELVIN
Si bien en la vida diaria las escalas Celsius y Fahrenheit son las
más importantes, en ámbito científico se usa otra, llamada
"absoluta" o Kelvin, en honor a sir Lord Kelvin.
Kelvin
En la escala absoluta, al 0 °C le hace corresponder 273,15 K,
mientras que los 100 °°C
C se corresponden con 373,15 K. Se ve
inmediatamente que 0 K está a una temperatura que un
termómetro centígrado señalará como -273,15 °C. Dicha
temperatura se denomina "cero
cero absoluto".
absoluto
Se puede notar que las escalas Celsius y Kelvin poseen la misma
sensibilidad. Por otra parte, esta última escala considera como
punto de referencia el punto triple del
el agua que, bajo cierta presión,
equivale a 0.01 °C.
La escala de temperaturas adoptada por el Sistema Internacional
de Unidades es la llamada escala absoluta o Kelvin. En ella el
tamaño de los grados es el mismo que en la Celsius, pero el cero
de la escala se fija en el - 273,15 °C. Este punto llamado cero
absoluto de temperaturas es tal que a dicha temperatura
desaparece la agitación molecular, por lo que, según el significado
que la teoría cinética atribuye a la magnitud temperatura, no tiene sentido hablar
ha
de valores inferiores a
él. El cero absoluto constituye un límite inferior natural de temperaturas, lo que hace que en la escala
Kelvin no existan temperaturas bajo cero (negativas). La relación con la escala Celsius viene dada por la
ecuación:
T(K) = t(°C) + 273,15 ó t(°
t(°C)
C) = T(K) - 273,15
T(K) = (5/9) * [t(°F)
[t(°F) + 459,67] ó t(°F) = (9/5) * T (K) - 459,67
Siendo
iendo T(K) la temperatura expresada en kelvins.
8
RESUELVA……
1. Si la temperatura interior de un automóvil con sistema de aire acondicionado es de 10ºC. Cuál será su
temperatura en la escala Fahrenheit?
2. La temperatura de fusión del Bromo es de 19ºF y la de de ebullición 140ºF. Expresar estas
temperaturas en grados Celsius.
3. La temperatura normal de cuerpo humano es de casi 37ºC. Expresa esta temperatura en la escala
Kelvin.
4. Efectuar las siguientes conversiones:
a)
b)
c)
d)
Expresar 300K, 760K y 180K en ºC.
Expresar 0K, 273K en ºF.
Expresar 14ºF en ºC y en K.
Expresar 50ºF, 200ºF en K.
5. Transforme 50ºC en grados Fahrenheit.
6. Transforme 20ºC en grados Fahrenheit.
7. Transforme según la ecuación de conversión: a) 15ºC a ºF y b) 10ºF a ºC.
8. La temperatura en un salón es 24ºC. ¿Cuál será la lectura en la escala Fahrenheit?.
9. Un médico inglés mide la temperatura de un paciente y obtiene 106ºF. ¿Cuál será la lectura en la
escala Celsius?.
9
TERCER PERÍODO
1. CONSERVACIÓN DE LA MASA EN FLUIDOS EN MOVIMIENTO
La energía mecánica total que posee un fluido en movimiento se compone de energía cinética y de
energía potencial. La energía potencial a su vez se compone de energías de presión y posición.
Debido a la presión "p" existente en un punto, la masa del fluido de peso específico
hasta una altura p/ sobre ese punto, si tuviera libertad para hacerlo.
podría ascender
El flujo en la figura se da de izquierda a derecha desde la sección 1 hasta la 2. En ambas secciones, si el
flujo tuviera libertad, ascendería hasta una altura igual a (z + p/ ) con respecto al plano de referencia. La
línea definida por esta altura se llama "línea de presión" o "línea piezométrica".
Una masa "m" de fluido, de peso "w", que se mueve en un conducto posee una energía potencial, Ep,
con respecto al plano de referencia que se expresa como:
Ep = w.( z + p/ )
1.1. CARACTERÍSTICAS DE LOS FLUIDOS (PRESIÓN, DENSIDAD)
1.1.1. Presión. Un sólido al entrar en contacto con otro ejerce una fuerza en su superficie tratando de
penetrarlo. El efecto deformador de esa fuerza o la capacidad de penetración depende de la intensidad
de la fuerza y del área de contacto. La presión es la magnitud que mide esa capacidad. P =
2
F
. Su
S
unidad en el Sistema Internacional es el Pascal (Pa=1 N / m ).
Es la unidad de presión que debes usar en Física, pero, como oirás expresar la presión en otras
unidades, vamos a darte sus equivalencias.
10
2
En la industria se usa el kp/cm . Cuando alguien dice que la presión de un neumático es de "2 kilos" se
2
2
está refiriendo a esta unidad, el kp/cm , (kp/cm = 98000 Pa).
La presión atmosférica se mide en atmósferas y mm Hg.
1 atm = 760 mm Hg
1 atm =101300 Pa.
Otra unidad son los bar; 1 bar (b) = 1.000 mb
1 bar (b) = 100.000 Pa. En Meteorología se usa el milibar o hPa (1 mb = 100 Pa). Una presión de 1 atm
equivale a 1013 mb (recuerda los mapas del tiempo).
Las borrascas tienen valores inferiores a ésa y los anticiclones mayores. A efectos de exactitud, cuando
2
medimos la presión de los neumáticos, una presión de 2 kp/cm equivalen “casi" a 2 bar.
Una fuerza externa aplicada a una pared móvil de un recipiente que contiene un fluido crea una presión
que lo comprime. La fuerza repartida sobre la superficie de la pared móvil da el valor de la presión
(P = F/S). El volumen que ocupa el fluido disminuye al aumentar la presión. La compresibilidad es casi
nula en los líquidos.
Aún sin fuerza externa, el peso del líquido ejercerá una presión
hidrostática sobre sus capas inferiores. Esta presión engendra una
fuerza que actúa desde el interior del líquido hacia fuera y
perpendicularmente a todas las paredes del recipiente. F = P iS .
EXPERIENCIA……
Acomodamos una chapa ligera al extremo inferior de un tubo abierto por sus dos extremos y la fijamos
por medio de un hilo, que sujetamos con una mano por el otro extremo del tubo.
Si soltamos el hilo cuando el tubo está vertical y en el aire, la chapa se cae; pero si lo soltamos una vez
que hemos introducido el tubo en un recipiente con agua, la presión hidrostática origina una fuerza sobre
el fondo de la chapa y hacia arriba que impide que se caiga.
Esta experiencia muestra como la presión dentro de un líquido crea una fuerza sobre la superficie de los
objetos situados en su interior.
1.1.2. Densidad. La densidad es una propiedad característica de cada sustancia y da idea de lo pesado
de los átomos que la forman y de lo juntos que están: una misma masa de distintas sustancias ocupa
distinto volumen.
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Si algunas sustancias ordenaran sus
átomos como A y B, y los átomos de B
fueran tres veces más pesados que los
de A, aún así sería más densa la
sustancia A. La unidad de densidad en el
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3
3
S.I. es el kg/m . 1 g/cm = 1000 kg/m .
EJERCICIOS……
Presentar con el proceso de conversión.
1) Halla el valor en Pascales de las siguientes unidades de presión:
2
a) 13 kp/cm ; b) 73 cm Hg; c) 1200 mb
2) Escribe los factores de transformación que se deducen de la equivalencia siguiente: 1 Pa = 101.300mb
3) Un hombre de 70 kg de masa está parado y apoyado en sus dos pies. La superficie de apoyo de cada
2
zapato es de 200 cm . ¿Cuál será la presión, expresada en Pascales, ejercida sobre el suelo?.
2
Dato: g = 9,81 m/s
2
4) Una aguja hipodérmica de sección 0,01 mm se clava en la piel con una fuerza de 50 N. ¿Cuál es
presión ejercida?
2
5) Sobre un émbolo de sección 3 cm que se mueve dentro de un pistón se coloca una masa de 20 kg.
¿Qué presión ejerce en el fluido del interior del pistón?
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1.2. PRESIÓN HIDROSTÁTICA
Principio fundamental. La Hidrostática trata de los líquidos en reposo. Un líquido encerrado en un
recipiente crea una presión en su seno y ejerce una fuerza sobre las paredes que lo contienen.
La fórmula se calcula partiendo del peso de una columna
imaginaria sobre su fondo y la presión en ese punto. Se
generaliza al resto del líquido.
P = d ig ih
Los fluidos (líquidos y gases) ejercen también una presión, P = d∙g∙h, sobre cualquier cuerpo sumergido
en ellos. La presión será tanto mayor cuanto más denso sea el fluido y mayor la profundidad. Todos los
puntos situados a la misma profundidad tienen la misma presión.
Se puede comprobar que la presión hidrostática aumenta al descender
dentro de un líquido viendo que la velocidad con la que sale el líquido es
mayor cuanto más abajo esté el agujero efectuado en la pared lateral del
recipiente.
La presión sobre las paredes aumenta hacia abajo y por tanto también lo
hace la fuerza sobre las mismas. Si perforamos agujeros a distintas
profundidades, la velocidad de salida se hace mayor al aumentar la
profundidad.
Vasos Comunicantes. Dos o más vasos comunicados por su base se llaman vasos comunicantes. Si se
vierte un líquido en uno de ellos, se distribuirá de tal modo que el nivel del líquido en todos los recipientes
es el mismo, independientemente de su forma y sus capacidades. Éste es el llamado Principio de los
vasos comunicantes.
Este principio es una consecuencia de la ecuación
fundamental de la Hidrostática: Los puntos que están a la
misma profundidad tienen la misma presión hidrostática y,
para que eso ocurra, todas las columnas líquidas que están
encima de ellos deben tener la misma altura. Parece "de
sentido común" pensar que el recipiente que contiene más
agua, y que por tanto tiene mayor peso, el que tiene paredes
que convergen hacia el fondo, soporta mayor presión, pero no
es así: la Física lo demuestra y la experiencia lo confirma.
¡La Física no se guía por el llamado sentido común!. Las
conclusiones a las que llegamos por el “sentido común”
proceden de razonamientos que tienen sus fuentes de
información en lo que observamos con los sentidos y éstos a menudo nos engañan.
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EJERCICIOS……
1) Calcula la presión que soporta un submarino que navega a 150 m de profundidad si la densidad del
3
agua es 1030 kg/ m
2
2) Calcula la fuerza que ejerce el agua sobre los cristales de las gafas, de superficie 40 cm , de un
submarinista que bucea a 17 m de profundidad si la densidad del agua es 1,02 g/cc.
3) Calcula la presión media sobre las compuertas de un embalse si el agua en ellas tiene una profundidad
de 40 m. Nota: Recuerda que la presión arriba es cero y abajo es la máxima. El embalse contiene agua
3
dulce: densidad = 1000 kg/m .
.
1.3. PRINCIPIOS DE PASCAL Y ARQUIMEDES
1.3.1. Principio de Pascal. Blaise Pascal, matemático, físico y filósofo francés del siglo XVII enunció el
siguiente principio:
Si ejerces una fuerza F exterior sobre un émbolo de sección S, se
origina una presión (p = F / S) en toda la masa líquida.
La presión es una magnitud escalar, no tiene dirección definida, pero la fuerza interior que origina es un
vector perpendicular a la superficie sobre la que actúa. Por lo tanto dentro de una esfera es
perpendicular, en cada punto, a la superficie interior.
El chorro de líquido no sale con más fuerza por el agujero inferior, como podía pensarse al empujar la
fuerza externa del émbolo en esa dirección, sino que sale por todos los orificios con igual velocidad.
Aplicación del Principio de Pascal: Prensa hidráulica
El "gato hidráulico" empleado para elevar coches en los talleres
es una prensa hidráulica. Es un depósito con dos émbolos de
distintas secciones S1 y S2 conectados a él. La presión ejercida
por el émbolo al presionar en la superficie del líquido se
transmite íntegramente a todo el líquido. La presión es la misma
en los puntos próximos a los dos émbolos. P1 = P2.
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La fuerza F1 aplicada en el émbolo pequeño se amplifica en un factor amplificador K tal que: F2 en el
émbolo grande es K iF1 . Además de amplificar el valor de F1 cambia su dirección de utilización, pues F2
estará donde conectemos al depósito el segundo émbolo.
Aplicación del P. Pascal: Frenos hidráulicos
Los frenos hidráulicos son una aplicación del principio de Pascal.
Al pisar el freno ejercemos una fuerza con el pie en el pedal que la
transmite a un émbolo de sección pequeña que se mueve dentro de
un pistón. Esa fuerza crea una presión en el interior del líquido de
frenos. El fluido transmite la presión casi instantáneamente en todas
direcciones.
Al tener colocado otro pistón con su émbolo en el otro extremo del
circuito hidráulico y, según la relación entre las secciones de los
émbolos, la fuerza aplicada será amplificada en ese punto.
El sistema hidráulico cambia también la dirección y el sentido de la
fuerza aplicada.
EJERCICIOS……
2
1) Una prensa hidráulica tiene dos émbolos de 50 cm y 250 cm2. Se coloca sobre el émbolo pequeño
una masa de 100 kg. a) ¿Qué fuerza se ejercerá sobre el mayor? b) ¿Cuánto vale el factor amplificador
de la prensa?
2) Los émbolos de una prensa hidráulica tienen una superficie de 40 cm2 y 160 cm2. Si se comprime 4
cm el émbolo pequeño ¿qué distancia subirá el émbolo mayor?
1.3.2. Principio de Arquímedes. Arquímedes descubrió que el
empuje es el peso del fluido desalojado.
El rey quería saber, sin destruir la corona fundiéndola, si el orfebre
había empleado todo el oro que le diera para hacerla o por el
contrario lo había mezclado con plata. Consultó con Arquímedes y
éste, estando en los baños cavilando sobre ello, pensó que la
misma masa de dos sustancias distintas no ocupan igual volumen y
que seguramente, al meterlas en agua, la más voluminosa soporta
un empuje mayor.
Y salió a la calle desnudo y gritando ¡Eureka¡.
Enunciado del Principio:
15
Razonamiento matemático para el cálculo del empuje:
Origen del empuje:
Arquímedes nunca escribió las justificaciones matemáticas
con que la física explica hoy su principio. Las caras superior e
inferior del cuerpo están sumergidas a distinta profundidad y
sometidas a distintas presiones hidrostáticas p1 y p2. Ambas caras tienen la misma superficie, S, pero
están sometidas a fuerzas distintas F1 y F2 y de distinto sentido.
Equilibrio de los sólidos sumergidos:
Al introducir un cuerpo en un fluido se produce el estado de equilibrio
cuando el empuje iguala al peso.
Según sean las densidades del cuerpo y del fluido en el que se sumerge
se pueden originar los siguientes casos:
•
•
Si dc > df , el peso es mayor que el empuje máximo - que se produce
cuando todo el cuerpo está sumergido -. El cuerpo se va al fondo. No
produce equilibrio.
Si dc = df , el peso es igual al empuje máximo. El cuerpo queda
sumergido y en equilibrio entre dos aguas.
16
•
Si dc < df , el peso del cuerpo es menor que el empuje máximo y no se sumerge todo el cuerpo. Sólo
permanece sumergida la parte de él que provoca un empuje igual a su peso. Este estado de
equilibrio se llama flotación.
Aplicaciones: barcos, globos, etc.
Los barcos flotan porque desplazan un peso de agua que es igual al peso
del propio barco. Para que exista equilibrio y no oscilen, además de la
igualdad entre el peso del cuerpo y el empuje, se requiere que el centro
de gravedad del cuerpo y de la parte sumergida permanezcan sobre la
misma vertical. Si el peso y el empuje no están en la dirección vertical se
origina un par de fuerzas.
La ascensión de un globo se produce porque la densidad interior es
menor que la del aire y el peso del aire desalojado es mayor que la suma
del peso del gas interior, la cesta, el lastre y las cuerdas.
Comparando cuánto se hunde un mismo
cuerpo en distintos líquidos se puede hallar
la densidad de uno relativa al otro, lo que
permite construir unos instrumentos de
medida llamados densímetros de flotación.
Llevan un lastre de plomo para que se hundan en el líquido y una escala en
la que, según hasta donde se hunda, indica la densidad del líquido en el que
se sumergen.
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PRACTIQUEMOS……
Demuestra los procesos.
1. Expresa en atmósferas y en Pascales una presión de 1000 mb.
2. ¿Qué presión ejerce sobre el suelo un bloque de masa 500 kg que mide 6x4x2 m cuando se apoya en
su cara de 4x2m?
2
3. Un recipiente cilíndrico lleno de agua tiene una espita de salida de sección 2 cm a 2 m de la
3
superficie. Calcula la fuerza que soporta. Nota. Densidad del agua 1000 kg/m .
3
4. Expresa en unidades del S.I la densidad de 2,5 g/cm .
5. ¿Qué presión soporta un submarinista sumergido en agua dulce a 35 m de profundidad?.
6. Una botella se encuentra hundida en agua dulce a 24 m de profundidad. Halla la fuerza sobre su
2
tapón de 1,5 cm .
2
7. En un émbolo de 5 cm de una prensa hidráulica se ejerce una fuerza de 40 N. ¿Qué fuerza resultará
en el émbolo de 100 cm2?.
8. Un cuerpo de masa 200 kg flota en agua dulce. ¿Qué volumen de agua desaloja para mantenerse a
flote?. ¿Cuánto vale el empuje?.
3
9. ¿Cuál es el peso aparente dentro del agua de un cuerpo de 300 g y volumen 50 cm ?
3
10. ¿Qué % de su volumen sumerge un cuerpo de masa 80g y volumen 100 cm cuando flota en agua
dulce?.
18
CUARTO PERÍODO
1. LOS GASES Y SUS PROPIEDADES
El estado gaseoso es un estado disperso de la materia, es decir, que las moléculas del gas están
separadas unas de otras por distancias mucho mayores del tamaño del diámetro real de las moléculas.
Resulta entonces, que el volumen ocupado por el gas(V) depende de la presión (P), la temperatura (T) y
de la cantidad o numero de moles ( n).
Las propiedades de la materia en estado gaseoso son:
1. Se adaptan a la forma y el volumen del recipiente que los
contiene. Un gas, al cambiar de recipiente, se expande o se
comprime, de manera que ocupa todo el volumen y toma la forma
de su nuevo recipiente.
2. Se dejan comprimir fácilmente. Al existir espacios
intermoleculares, las moléculas se pueden acercar unas a otras
reduciendo su volumen, cuando aplicamos una presión.
3. Se difunden fácilmente. Al no existir fuerza de atracción
intermolecular entre sus partículas, los gases se esparcen en
forma espontánea.
4. Se dilatan, la energía cinética promedio de sus moléculas es
directamente proporcional a la temperatura aplicada.
Recipentes de gas.
Variables que afectan el comportamiento de los gases
PRESIÓN. Es la fuerza ejercida por unidad de área. En los gases esta fuerza actúa en forma uniforme
sobre todas las partes del recipiente.
La presión determina la dirección de flujo del gas. Se puede expresar en atmósferas (atm), milímetros de
mercurio (mmHg), pascales (Pa) o kilopascales (kpa). 1 atm = 760 mmHg.
La presión atmosférica es la fuerza ejercida por la atmósfera sobre los cuerpos que están en la superficie
terrestre. Se origina del peso del aire que la forma. Mientras más alto se halle un cuerpo menos aire hay
por encima de él, por consiguiente la presión sobre él será menor.
TEMPERATURA. Es una medida de la intensidad del calor, y el calor a su vez es una forma de energía
que podemos medir en unidades de calorías. Cuando un cuerpo caliente se coloca en contacto con uno
frío, el calor fluye del cuerpo caliente al cuerpo frío.
La temperatura de un gas es proporcional a la energía cinética media de las
moléculas del gas. A mayor energía cinética mayor temperatura y viceversa.
La temperatura de los gases se expresa en grados kelvin.
CANTIDAD. La cantidad de un gas se puede medir en unidades de masa,
usualmente en gramos. De acuerdo con el sistema de unidades SI, la
cantidad también se expresa mediante el número de moles de sustancia,
esta puede calcularse dividiendo el peso del gas por su peso molecular.
19
VOLUMEN. Es el espacio ocupado por un cuerpo. Está dado por el volumen del recipiente que lo
3
3
contiene. Se expresa en m , cm , litros o mililitros.
DENSIDAD. Es la relación que se establece entre el peso molecular en gramos de un gas y su volumen
molar en litros.
EJERCICIOS……
1- Calcula la PRESIÓN que ejerce sobre el suelo de hielo, una persona de 70 Kg, si la superficie de las
suelas de sus zapatos es de 260 cm2. ¿Y si se coloca unos esquíes de superficie 3000 cm2? (Tómese
g=10 N/Kg).
2.- Un gas ejerce sobre las paredes de un recipiente una presión de 0,75 atm. Pasa esa presión a la
unidad del sistema SI.
3.- En un punto de la superficie terrestre la Presión atmosférica resulta ser de 750 mb. ¿cuál es la presión
en atm y en Pa?.
4.- La presión de un gas en un recipiente, resulta ser de 76.420 Pa ¿cuál es la presión en atmósferas?
5.- Una determinada cantidad de gas que ocupa un recipiente de 2,5 L y ejerce una presión sobre las
paredes del mismo de 3,2 atm ¿qué presión ejercerá si el volumen lo reducimos a 1,2 L manteniendo
constante la temperatura? ¿y si lo aumentamos a 4,6 L?
1.1. CARACTERÍSTICAS DE LOS GASES
Comprensión. Tomando como referencia el tamaño de las partículas de un gas,
existe una gran distancia de espacio vació entre ellas, lo que hace posible su
comprensión o compresibilidad, es decir, la reducción o disminución de los
espacios vacíos entre sus moléculas; lo cual se logra aumentando la presión
y/o disminuyendo la temperatura.
Expansión. Cuando se calienta una muestra de gas, aumenta la
velocidad promedio de sus partículas, las cuales se mueven en un
espacio mayor, dando como resultado que todo el gas aumenta su
volumen se han expandido.
20
Ejercen presión sobre el recipiente que los contienen. Al estar en continuo
movimiento, las partículas de un gas chocan contra las paredes del recipiente
que los contiene, ejerciendo presión sobre ellas.
Difusión. Cuando dos gases entran en contacto, se
mezclan hasta quedar
uniformemente
repartidas
las
partículas de uno en otro, esto es posible por el gran espacio existente entre sus
partículas y por el continuo movimiento de estas.
EXPERIMENTO……
TEMA: COMPRESIÓN Y EXPANSIÓN
MATERIAL
•
•
•
•
•
•
•
1 Lata de aluminio
1 Soporte universal
1 aro con rejilla de asbesto
1 Mechero de bunsen
1 pinzas
1 cristalizador
Agua con hielo
PROCEDIMIENTO
En un cristalizador se agrega agua fría.
Una vez que la lata presente vapores por la
ebullición del agua, se introduce rápidamente
boca abajo en el cristalizador.
Se calienta una pequeña cantidad de agua en
una lata de aluminio hasta llevarla a ebullición,
como muestra la figura.
21
Se observa que la lata se deforma
violentamente, como lo muestran las figuras.
Predice, observa y explica lo que acabas de
ver en el experimento!!!
1.2. PRESIÓN ATMOSFÉRICA
Atmósfera: características.
• La atmósfera es la capa gaseosa que rodea la Tierra.
• Tiene un espesor de aproximadamente 100 km que, frente a
los 6.400 km del radio de la Tierra o frente a las inimaginables distancias cósmicas, nos da una idea de lo
frágil que es la capa que sustenta la vida. ¡Cuidémosla!
• Contiene gases en continua agitación y movimiento que determinan el clima. El peso de los gases
origina la presión (P = d gases ig ih ) .
• Su elemento más abundante es el nitrógeno (gas muy inerte)
seguido del oxidante oxígeno (21%) que nos permite respirar;
el ozono nos protege de los rayos ultravioleta. Muchos
meteoritos arden totalmente en ella. También contiene
partículas sólidas en suspensión.
• Su composición y la proporción de sus gases se mantuvo
constante durante milenios.
22
Aunque la atmosfera llega hasta los 100 km, por encima de 10 km no
hay prácticamente aire (el 75% de los gases de la atmosfera se
encuentra en estos 10 primeros km que corresponden a la troposfera).
La concentración del aire varía con la temperatura y por eso el peso
del aire sobre un punto de la Tierra no es el mismo todos los días: la
presión atmosférica, en un mismo lugar de la Tierra, no tiene un valor
constante.
Las diferencias de presiones entre lugares diferentes de la Tierra,
originadas por diferente calentamiento, etc. dan lugar a los vientos.
Estas diferencias de presión originan desplazamientos verticales y
horizontales combinados de los gases atmosféricos que, junto con la
orografía y características del suelo, hacen difícil predecir la evolución
y los pronósticos climáticos.
1.3. TENSIÓN SUPERFICIAL
En primer lugar, es importante saber que la tensión superficial es también llamada tensión de superficie o
energía de interfaz o bien todavía energía de superficie.
Es una fuerza que existe al nivel de toda interfaz entre dos medios diferentes (entre un sólido o un líquido
y un gas). La tensión entre medios idénticos: dos sólidos, dos líquidos, o también entre un líquido y un
sólido es generalmente llamado: la tensión interfacial.
La tensión superficial permite a la gota de agua
el no extenderse sobre una hoja, o a ciertos
insectos marchar sobre el agua, o bien todavía
la tensión superficial permite esta forma
abombada del agua en un vaso colmado con la
noción de capilaridad.
Tensión superficial: las fuerzas intermoleculares. Las moléculas de un fluido (líquido o gas) ejercen,
entre ellas, fuerzas de atracción o de repulsión (como para la fuerza electrostática). Hay que suponer que
un cuerpo líquido puro es constado por un solo tipo de moléculas. Es muy evidente que estas moléculas
ejerzan entre ellas una fuerza de atracción porque de otro modo no formarían un solo y único líquido (una
sola fase).
Tensión superficial: ejemplo del agua
Las tensiones de superficie no son siempre fáciles de comprender. Para ser
simple, tomaremos el ejemplo del agua, siempre tomada en referencia porque es
simple de empleo con una energía molecular muy elevada (la más elevada
después del mercurio).
Las moléculas de agua son atraídas entre ellas por la energía molecular y las
23
moléculas periféricas lo están pues solamente en dirección del interior, lo que en algunos casos forman
una gota de agua (la esfera que es la forma de superficie más pequeña posible).
Si se coloca esta gota redonda en un soporte a
escasa energía de superficie, las fuerzas de
atracciones internas de la gota serán preponderantes y
la gota tendrá un mínimo de contacto con el material
(ej. película plástica). Si al contrario, el material (ej.
vidrio) desarrolla una energía molecular de superficie
que se acerca a la del agua, esta energía tenderá a
contrapesar las fuerzas dentro de la gota y ésta
tenderá a aumentar su superficie interfacial con el
material, llanura de la gota, absorbencia.
Si en vez de utilizar agua, se utiliza un líquido mucho
más escaso en energía (ej. hidrocarburo, alcohol...)
sobre una película plástica, aunque de escasa energía,
pero suficiente, esta película causará por atracción
interfacial el escalonamiento de la gota de alcohol (el
material conseguirá ser preponderante sobre las
fuerzas internas en la gota de alcohol, esta gota se
extenderá aún mejor sobre el vidrio húmedo al agua,
por lo tanto de energía aún más elevada que el
plástico)...
Tensión superficial: interfaz líquido y gas
El gas ejerce una presión sobre el líquido porque sus moléculas (del gas)
ejercen una atracción o una repulsión sobre las moléculas en la superficie del
líquido. Pero es muy pequeño porque el gas tiene una densidad muy débil
con relación al líquido.
Podemos, pues, decir que la presión del gas, la atracción por el interior del
líquido, y el peso directamente influyen en la forma de la superficie del
líquido. La pompa de jabón es al principio un pellejo líquido sometido a la
presión del gas a los dos lados del pellejo y este líquido debe tener fuerzas
de atracción suficiente fuertes para no estallar.
Tensión superficial: interfaz líquido y líquido
En una interfaz líquido / líquido, hablamos de líquidos miscibles o de líquidos no miscibles. Si dos
líquidos son miscibles se mezclan para formar sólo una fase, si son no miscibles formarán dos fases
muy distintas como el aceite y el agua por ejemplo.
Las moléculas de líquidos no miscibles sufren de dos fuerzas: una atracción al interior " de ellas
mismas " y una repulsión con relación a las moléculas del otro líquido. La forma de la interfaz líquido /
líquido es engendrada, pues, por las fuerzas de atracción intra-líquida, la fuerza de repulsión
interlíquida y, desde luego, la gravedad.
24
Unidad de medida de la tensión superficial
-1
La unidad de medida de la tensión superficial es el newton por metro (N.m ) que es equivalente a los
-2
julios por metro cuadrado (J.m ) que es la unidad de energía de superficie (o dina / por cm).
La tensión superficial es la fuerza que hay que aplicar sobre un líquido para provocar la extensión de
su superficie. Podemos definir la energía de interfaz como una demasía de energía química cuando las
moléculas de superficie se encuentran dentro del líquido.
25
EVALUACIÓN DE COMPETENCIAS
el enunciado del principio de Arquímedes,
la función que cumple el chaleco salvavidas
en las personas, es aumentar:
Si observas a tu alrededor podrás apreciar que
los objetos se diferencian por tener algunas
magnitudes físicas, como la masa, el tiempo,
el volumen, entre otros. Estas se miden
realizando una comparación con una medida
patrón.
a)
b)
c)
d)
1. La afirmación correcta es:
a) La balanza sirve para medir el volumen
3
de una sustancia y su unidad es el cm .
b) El dinamómetro sirve para medir el peso
de un objeto y su unidad es el
kilogramo.
c) La balanza sirve para medir la masa de
un objeto y su unidad es el kilogramo.
d) La probeta sirve para medir volúmenes y
su unidad de medida es el m.
Densidad
El peso
El volumen
La masa
5. La figura siguiente representa tres
momentos diferentes (1,2 y 3) en la caída de
una piedra dentro de un recipiente que
contiene agua:
2. Las magnitudes fundamentales son:
a)
b)
c)
d)
Metro, kilogramo y segundo.
Kilómetro por hora, centímetros y horas.
Longitud, masa y tiempo.
Velocidad, fuerza y energía.
La fuerza de flotación que se ejerce sobre
ella es:
a) Mayor en la posición 1 que en la
posición 2
b) Mayor en la posición 1 que en la
posición 3
c) La misma para las tres posiciones
d) Diferente para las tres posiciones
Para describir los cuerpos que se encuentran a
nuestro alrededor nos referimos a ciertas
características que nos permiten distinguirlos, es
importante poder explicar algunas situaciones
como ¿porqué cuando un buzo se sumerge a
mayores profundidades experimenta una fuerza
de empuje mayor?. Responde las siguientes
preguntas aplicando el principio de Arquímedes.
6. La presión de un fluido en cualquier punto
es directamente proporcional a la densidad
del fluido y la profundidad bajo la superficie
del fluido es decir, Presión = peso especifico
x profundidad.
3. Si se quiere hacer flotar un objeto que se
encuentra totalmente sumergido en un
recipiente con agua se debe igualar:
Los médicos miden la presión sanguínea de
las personas en el brazo. Si a un médico se le
ocurre medir la presión sanguínea, en la
cabeza y en las piernas de una persona,
encontrará que la presión con respecto a la
del antebrazo es:
a) La densidad del objeto y la del agua
b) El peso del objeto y el volumen del agua
desalojada
c) El volumen del objeto y del agua
desalojada
d) El peso del objeto y del agua
desalojada.
a)
b)
c)
d)
4. Las personas que no saben nadar utilizan
un chaleco salvavidas, el cual les permite
flotar con seguridad. Al aplicar en este caso
26
Igual para los tres casos
Es mayor en las piernas
Es mayor en la cabeza
Es mayor en el brazo.
7. En un estrechamiento de una tubería
aumenta y disminuye respectivamente:
a)
b)
c)
d)
c) Mantiene su nivel
d) Depende del volumen del buque
El caudal y la rapidez
La presión y el caudal
La rapidez y la presión
El volumen y la presión
3
9. La densidad de un cubo de 8 cm es de 2
3
gr/cm el valor de su masa es:
a)
b)
c)
d)
8. Si un buque pasa de agua dulce a salada
entonces:
a) El buque se sumerge mas
b) El buque se sumerge menos
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4 gr
16 gr
0.25 gr
0.5 gr
BIBLIOGRAFÍA
http://www.omerique.net/twiki/pub/Recursos/CalorTemperatura/elcalorylatemperatura.html
http://www.angelfire.com/empire/seigfrid/Conductoresyaislantes.html
http://es.wikipedia.org/wiki/Termometr%C3%ADa#Escala_Kelvin_o_absoluta
http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/confinado/energia.htm
http://recursostic.educacion.es/secundaria/edad/4esofisicaquimica/impresos/quincena4.pdf
http://www.profesorenlinea.cl/fisica/GasesPropiedades.htm
http://www.cneq.unam.mx/cursos_diplomados/diplomados/medio_superior/ens_3/portafolios/quimica/equi
po3/propiedadesdelosgases.htm
http://www.boussey-control.com/esp/tension-superficial.htm
http://www.monografias.com/trabajos21/evaluacion-final/evaluacion-final.shtml
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