BLOQUE 1

Ampermetro. Apa rato que sirve para medir el nme-ro de amperios de una corriente elctrica.

Aparato que sirve para medir la tensin en voltios.

. 1 Sinnimo de voltaje, fuerza electromotriz,, c diferencia de potencial; se expresa en voltios.

1.9 INDUCCION ELECTROMAGNTICA

. Es la densidad del flujo o movimiento de un cuerpo magntico o elctrico.

" Es la produccin de una fuerza electromotriz (fem) en un circuito a causa de las variaciones del flujo que los atraviesa.

Es la parte de un motor o generador elctri-co en la que se origina la fuerza electromotriz.

Es un hecho conocido que:

poco iluminadas, no se podan instalar industrias que requieran electricidad, los edificios no tenan ascenso-res, y muchos problemas ms.

bombillos calentador energa lumnica energa trmica

agua energa potencia

La corriente elctrica es capaz de producir un campo magntico.

Un campo magntico produce corriente elctrica.

Luego:

produce Campo magntico ~ *~ corriente elctrica

produce

Pero a partir del ao 1831, el cientfico Michael Fara-day descubre la tcnica de la induccin electromag-

que permite obtener grandes cantidades de energa elctrica, ahora s, para poder iluminar miles y miles de focos en pequeas y grandes ciudades, movi-miento de medios de transportacin como ferrocarril, buques, etc, gracias a los generadores y transformado-res elctricos.

Los campos magnticos facilitan la produccin de grandes cantidades de electricidad la que se envia a las ciudades; valindose de generadores de plantas elctricas industriales de extraordinaria potencia y de gran uso domstico o en las grandes industrias.

Se recuerda que antes del ao 1830 se obtena co-rriente elctrica suministrada mediante pilas o bate-ras, vale decir, la energa qumica transformada en energa elctrica. Esto haca suponer que no se poda suministrar las grandes cantidades de energa elctri-ca que se necesitaba, por eso las ciudades eran muy

Cmo el campo magntico, es decir, el imn pro-duce corriente elctrica?

Para aprender el fenmeno, analicemos el siguiente experimento:

Imn

Voltmetro la aguja marca 0

Bobina helicoidal

4 4 Fsica y Qumica

BLOQUE 1

Voltmetro la aguja a la derecha

Voltmetro a aguja a la

Izquierda

El imn se aleja y cambia la direccin de la corriente

La distancia de separacin ha aumentado

mentar la separacin entre el imn y bobina se cam-bi el sentido de la corriente, cambio de direccin. El campo magntico en este caso se ha debilitado.

Se demuestra que:

Cuando se cambia el campo magntico del cir-cuito, por variacin de distancia entre imn y bobina, se cambia el sentido de la corriente.

La corriente elctrica que 53 ' -un campo magntico en la L j \s mma zo-

Se concluye que la corriente inducida es consecuen-cia de que la electricidad es producida por un campo magntico variable.

Para producir corriente solo se requiere movimiento entre la bobina y el imn. No importa cual se mueva. As se vara la distancia entre el imn y la bobina.

- E; aparato dispone de:

1.. Un imn en forma de barra. 2. Una bobina helicoidal. 3. Un ampermetro.

Se observa la distancia calibrada que separa el imn de la bobina. La aguja del ampermetro no ha oscila-do, se encuentra en el cero de la escala, lo que significa que no se ha generado corriente elctrica, el aparato est apagado.

Grfico N2. Se observa que el imn se ha acercado a la bobina, as lo demuestra el grfico donde la dis-tancia de separacin ha disminuido como se aprecia al comparar el grfico 1 con el 2. Ahora si hay corriente producida en la bobina, lo cual lo confirma la aguja de! ampermetro que se ha desplazado hacia el lado derecho. Esto implica la existencia de un campo mag-ntico variable.

Grfico N3. Ahora sucede lo contrario; el imn se ha separado de la bobina, se encuentra a mayor distan-cia. Tambin se produce corriente, lo confirma la aguja del ampermetro, pero esta vez, se movi al lado con-trario, esto es a la izquierda. Esto significa que al au-

Es sabido que para que se genere electricidad se re-quiere de una fuerza electromotriz (pem), este reque-rimiento se obtiene con la bobina que produce una fuerza electromotriz inducida (pemi), la que se mide con el voltmetro.

Volviendo a los grficos se indica que: cuando el flujo magntico est aumentado (Fig. 2) el flujo o direccin de la corriente se indica con las flechas de arriba hacia abajo y la aguja del ampermetro hacia la derecha. En tanto que la corriente inducida que est disminuida se desplaza en sentido contrario, es decir, de abajo hacia arriba y la aguja del ampermetro est desplazada a la izquierda. Con esto se demuestra tambin el cambio en la direccin de la corriente (Fig. 3).

1.10 AUTO INDUCCIN E INDUCCION MUTUA

En la seccin 1.9 se ha definido lo que es induccin e induccin electromagntica. El autor Alonso explica el fenmeno de autoinduccin magntica de la siguien-te manera:

1 El circuito elctrico produce un campo magnti-co inducido que da lugar a un flujo de induccin caracterstica propia del circuito y con un valor de intensidad propio.

Bachillerato General Unificado 4 5

BLOQUE 1

Cuando vara la intensidad en el circuito, vara, tambin el flujo, y esto origina que se produzca una fuerza electromotriz inducida (Femi).

Con estos antecedentes se define como:

Induccin mutua, Alonso - Acosta a! respecto de ste fenmeno manifiesta lo siguiente:

Auto induccin es el fenmeno de la induccin de una Fem en un circuito, a causa de la varia-

cin de la intensidad de la corriente.

p

S 5

l 1

]

El autor Alonso utiliza un grfico para explicar el fen-meno de auto induccin. Se trata de un circuito que lleva una pequea resistencia arrollada o solenoide, un foco de alta resistencia y una batera. Conectado el circuito se observa que la intensidad de la corriente empieza a aumentar rpidamente desde un valor ini-cial que es igual a cero hasta un valor definitivo. Cuan-do la corriente llega al punto 2 se piensa que debe se-guir el trayecto 3,4 que es de menor resistencia, esa es la funcin del solenoide. Pero como la corriente es variable y la auto induccin en el solenoide en cam-bio, es muy grande, la fuerza electromotriz inducida (femi) en el segmento 2, 3, 4 se opone al paso de la corriente, por lo que casi toda la corriente pasa ini-cia l mente por el foco (5) que por unos segundos se ilumina intensamente.

Pero tan pronto la corriente adquiere un mximo va-a danpe?-aca la femi en el punto 3, por lo que tadn ;: cct :[;

BLOQUE 1

La corriente alterna. Es aquella donde los electrones no se desplazan en una sola direccin en el conduc-tor, sino tambin en sentido contrario, o sea en dos direcciones.

Este tipo de corriente es utilizada en casas y edificios. Se comprueba cuando se conecta un aparato que funciona con energa elctrica por ejemplo un foco, una radio, la televisin, etc. Sucede que se produce un cambio en el campo elctrico del conductor en forma peridica, es decir, que cada cierto tiempo la circulacin de los electrones por el conductor cambia de direccin, como indican el resultado de las flechas del grfico anterior de las cargas elctricas, es decir, los electrones se movern unas veces en un sentido (izquierda) y otras en otro (derecha).

El autor Cutnell, utilizando el siguiente grfico explica la produccin de corriente alterna, donde la corriente cambia de sentido peridicamente:

I 1 enchufes

ios signos + o - en el cambio de direccin de la co-rriente izquierda - derecha o derecha - izquierda.

El grfico indica el mecanismo que sufre CA cuando se conecta un circuito a un enchufe cualquiera.

La relacin VOLTAJE - TIEMPO es una lnea sinuosa.

Los fenmenos que ocurren durante un periodo cons-tituyen un ciclo.

La frecuencia de una corriente alterna es igual al n-mero de ciclos en la unidad de tiempo.

El voltaje producido entre los terminales de un gene-rador de CA cambian cada momento.

Al observar los enchufes se aprecia el cambio de po-laridad de las terminales de los conductores mediante

~3 5

n ~> 4

1. Imanes

rotor que gira

2. Bobina giratoria 3. Rotor 4. Campo magntico 5. Espiras

Se forma un campo magntico (4) a travs de dos imanes (1) y la bobina giratoria (2) mediante un rotor (3). Est construido con alambre que se enrolla en un carrete (a manera de tubo de hilo), esas vueltas se lla-man espiras (s).

La bobina gira en sentido izquierda a derecha o en sentido contrario, aumentando o disminuyendo el campo magntico y cambiando peridicamente el sentido de la corriente, lo que origina que la fem cam-bie el sentido cada media vuelta del rotor o eje que permite dar vueltas a la espira.

Otro grfico que explica la produccin de CA. Aqu el campo magntico no es una bobina sino una placa o espira que produciendo cambios en el campo magn-tico, esto es, aumentando o disminuyendo la separa-cin mientras cambia la posicin, unas veces est ver-tical otras horizontal, entonces se produce corriente alterna. Se ha calculado que la corriente cambia 110 veces cada segundo, es decir, que la intensidad de la corriente vara permanentemente, variacin que nuestros sentidos no lo puede distinguir. Siga la po-sicin de las letras a, b, c, d, que van variando (dando la vuelta)

(D

Bachillerato General Unificado 4 7

BLOQUE 1

sentido de la corriente

(+)

(2) (3)

sentido de la corriente

(-)

PROPUESTO

0= valor cero de la intensidad de la corriente.

T- tiempo en segundos.

1= intensidad cero. No hay corriente elctrica.

2= mximo valor de intensidad. Foco prende con mxima luminosidad. La corriente se desplaza ha-cia la derecha, es decir, positiva (->-->).

3= valor cero de intensidad. No hay corriente - El foco no se prende.

4= mximo valor negativo de intensidad - La corrien-te se desplaza hacia la izquierda, es decir, negativa. [**- *-) El foco prende con mxima luminosidad.

5= Valor cero de intensidad - El foco no se prende.

"- ??.>:: valores mximos de intensidad positiva.

' A valores mnimos de intensidad negaive..

i ~2-~$~4 recorrido de un cic'o o vue'as cor.-'p'es-das de la espira

CONCLUSIONES

1 La corriente elctrica cambia de sentido 110 veces cada segundo luego originan 110 ciclos.

En cada vuelta completa de la espira, el sentido de la corriente se invierte 110 veces.

S ; Las variaciones de intensidad de un foco son rapi-dsimas, no es posible diferenciarlas mediante el ojo humano, da la impresin que la iluminacin o intensidad es homognea, siempre de la misma intensidad.

4 La variacin del campo magntico se produce por el movimiento de la espira o placa dentro del cam-po magntico.

La variacin de la distancia entre los polos del imn y la espira, origina variacin de la intensidad, creando el cambio del sentido de la corriente en cada ciclo.

4 8 Fsica y Qumica

BLOQUE 1

LOS ELECTRONES EN EL TRATAMIENTO DEL CNCER

La velocidad de los electrones es similar a la velo-cidad de la luz, es decir 300 000 Km por segundo.

Existe un aparato que denomina Acelerador Lineal de Electrones.

Este dispositivo produce electrones que los expulsa a gran velocidad por medio de un tubo o can, que al llegar a un campo electromagntico adquiere mayor velocidad, esto es, 300 000 Km por segundo. El chorro de electrones se dirige al tumor canceroso y es posible tratar a! enfermo de cncer o por lo menos detener el avance de la enfermedad.

En Ecuador estn instalando los aceleradores lineales de electrones en los hospitales del IESS de Quito, Gua-yaquil y Cuenca. Por el momento a la fecha (julio de 2012) se estn construyendo los bunkers para la insta-lacin de estos equipos.

3. Gua de ondas aceleradora Mediante el campo electromagntico se aceleran los electrones a una velocidad cercana a la luz.

4. Imn tocalizador Mediante un campo magntico y un giro de 270, se selecciona electrones en funcin de su energa y se dirige hacia el tumor.

5. Colimador de multilminas Las multilminas adoptan diferentes configura-ciones para moldear el haz de partculas, segn la forma del tumor.

Radiacin sobre el tumor El tumor se irradia desde varios puntos con su bra-zo giratorio. El colimador adopta la forma que per-mite tratar el tumor.

Generador de radiofrecuencia

electromagntico Es creado por el ge-nerador y amplifica-do por el Klystron.

2. Can de electrones Produce electrones y los expulsa a gran velocidad.

Colimador

Paciente Tumor.

Camilla

Klystron

El dimetro del de partculas

es de 1 mm.

Haz de t articulas

Visin portal Antes de tratar al paciente, el acelerador verifica que est correctamente posicionado para recibir la dosis de radiacin que ha sido programada.

Grfico tomado del diario El Comercio del 20 de mayo de 2012.

Bachillerato Genera! Unificado 4 9

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B'iWimpdN Nombre:

Curso:

Fecha:

Calificacin:

Cuestionario

| Encierre en un crculo la respuesta que crea us-ted que es correcta:

1. El protn tiene carga:

a. positiva b. negativa c. neutra

2. Un electrn libre se localiza en:

a. nivel b. subnivel c. ninguno

3. Cuntos movimientos tiene el electrn?

a. uno b. dos c. ninguno

4. En qu nivel tiene el electrn mxima energa?

a. uno b. cuatro c, siete

5. Cuando se frota una peinilla de plstico con una franela:

a. gana e" b. pierde e" c. no pasa nada

6. La cantidad de electricidad que atraviesa un conductor en un segundo se denomina:

a. intensidad b. resistencia c. cantidad (q)

7. La unidad de intensidad de la corriente elctri-ca es:

a. voltio b. ohmio c. amperio

8. Qu tipo de energa tiene el viento?

a. potencial b. cintico c. qumica

9. Cul de os siguientes metales conduce me-jor los electrones?

a. Plomo b. Cobre

10. El nodo tiene carga:

c. Plata

a. positiva b. negativa c. neutra

11. El cloruro de sodio es un electrolito:

a. fuerte b. dbil c. no lo es

12. La glucosa no conduce la corriente elctrica porque sus tomos estn unidos por:

a. enlace metlico b. electro valencia c. covalencia

13. Cmo se obtiene cloro y sodio en la electrli-sis del NaCI?

a. en solucin b. semilquido c. fundido

14. Al dividir la masa atmica por la valencia de! elemento se obtiene:

a. equivalente qumico b. equivalente electroqumico c. constante de Faraday

15. Amperio por tiempo es igual a:

a. voltio b. culombio c. ohmio

Bachillerato General Unificado 5 1

BLOQUE 1 Fotocopiar esta pgina para realizar la prueba

16. Galvanostegia significa: III Dibuje un grfico que demuestre que no todos isa, metales tienen el mismo valor de resisten-cia. Tome como referencia los metales plomo y cobre.

a. moldear b. destruir c. cubrir

17. Cuando se divide un imn en dos partes, se obtiene:

a. solo el polo norte b. solo el polo sur c. los dos juntos

18. Al colocar una brjula en paralelo a un circuito elctrico, a dnde se orienta:

a. al polo norte b. al polo sur c. a ninguno IV Construye un grfico que demuestre la produc-

19. Las lneas de fuerza de un imn son: don de corriente alterna con una bobina y dos imanes.

a. imaginarios b. reales c. visibles

20. Un campo magntico produce:

a. rayos x b. protones c. electricidad

II Dibuje un circuito simple

V Problema: Qu intensidad debe tener una co-rriente para que deposite 85 gramos de calcio (40,0 UMA) en dos horas?

5 2 Fsica y Qumica

BLOQUE 1

CLUB DE FSICA Y QUMICA DEL COLEGIO f 4 y,

Asunto Electrlisis - Corriente elctrica contina y alterna -Generador y motor elctrico.

Grupo tres Resistencia y resistibilidad. Clases de resistencias, con ejemplo de uso comn.

Grupos Entre los alumnos del curso se determinar seis gru-pos, cada uno ampliar los captulos indicados. Cada grupo tiene que consultar y demostrar prctica-mente lo que a continuacin se indica.

Grupo uno Demostrar el experimento que sirvi para descubrir al electrn. Las propiedades de los rayos catdicos y, su compara-cin con los rayos canales.

Cmo se produce la electricidad. Qu variables intervienen en un circuito? Cmo se produce corriente continua. Construccin y funcionamiento de una pila de linterna

Grupo cuatro Electrlisis del agua. Obtencin de hidrgeno y oxgeno. Diferencia entre la electrlisis realizada en una solu-cin acuosa y en estado slido, tome como ejemplo la sosa caustica.

Grupo cinco Aparatos usados en electricidad: galvanmetros, am-permetros, voltmetros. Demostrar grficamente la instalacin elctrica en un domicilio.

Grupo seis Corriente continua y alterna. Produccin: Grficos y usos de cada una. Descripcin y funcionamiento de una dnamo.

Bachillerato General Unificado 5 3

E l c a l o r Y LA TEMPERATURA: SON CONCEPTOS ANLOGOS? 2 Calor y temperatura 2.1 DILATACIN DE SLIDOS Y LQUIDOS 23 TRANSMISIN DE CALOR 2.2 CALORIMETRA, FUSIN Y VAPORIZACIN 2.4 TERMODINMICA

Preguntas de diagnstico sobre el bloque que va a estudiar.

Q u s a b e u s t e d s o b r e l a s s i g u i e n t e s i n t e r r o g a n t e s ?

Existe alguna diferencia entre calor y tempera-tura?

Qu importancia tiene la determinacin del punto de fusin en los slidos?

Qu razn existe para que un cuerpo slido se El valor de la presin de vapor es igual en la eva-dilate?

Qu ocurre con la estructura cristalogrfica de un cuerpo cuando se lo somete al calor?

poracin y en la ebullicin?

Qu importancia tiene la primera ley de la ter-modinmica en las reacciones qumicas?

Si usted no sabe, con el estudio del siguiente bloque, podr contestar satisfactoriamente.

BLOQUE 2

2 CALOR Y TEMPERATURA Recordatorio:

Qu es temperatura? Es la energa cintica pro-medio de un grupo de partculas que origina eleva-cin de temperatura.

Del concepto se deduce que, a mayor velocidad de las partculas, los choques son ms intensos y conti-nuos lo que originar que se produzca elevacin de temperatura.

La temperatura se trasmite siempre del cuerp ms caliente al ms fri, es decir, de la mayor

temperatura a la menor.

Caliente Fro

vw Vs A

20C +

10C =

15C 15CC A B C

A = Alto cinetsmo molecular. Caliente a temperatu-ra : .

B = Bajo cinetsmo molecular. Fro a temperatura 10C.

temperatura.

CALOR

Es la energa transferida entre dos cuerpos en interaccin debido a que existe diferencia de

temperatura entre los dos.

O tambin:

5 6 Fsica y Qumica

El calor es la energa que fluye de un objeto de alta temperatura a un objeto de menor temperatura, es decir, de un cuerpo que presenta alto valor de energa cintica a otro cuyo movimiento de sus

molculas es bajo.

LA UNIDAD DE CALOR ES EL JOULE (J)

Kilocalora. Es la cantidad de calor necesario para ele-var la temperatura de un kilogramo de agua destilada en un grado centgrado.

Calora. Es la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura en un gramo de agua. Concretamente de 14,5 C. a 15,5 C (en grados centgrados).

1 kcal = 1000 cal.

1 cal = 4,18 joules.

1 kcal = 4186 joules.

El valor de Cal. o Kcal en joules se llama equivalente mecnico del calor.

Se ha indicado que el calor es la energa en trnsito que va de lo caliente a lo fro. Con el siguiente expe-rimento explicamos lo dicho.

Si se dispone de una cuchara y se lo calienta en un me-chero, la persona que lo sostiene por el mango (cabo) empieza a sentir calor hasta que se quema.

La energa fluye en forma de calor de la parte caliente a la fra.

Otro ejemplo se tiene cuando se pone un poco de co-ac en una copa que debe estar en unos 10 C. se lo

BLOQUE 2

empua unos 5 a 10 minutos. La bebida se calienta puesto que la mano tena ms calor, unos 37 C.

Cabe insistir, una vez ms que son os movimientos de las molculas las que originan la elevacin o la dismi-nucin de la temperatura. Por lo tanto, son las mol-culas as que contienen energa interna, pero no calor. No es correcto decir que las sustancias contienen ca-lor, lo que contienen es energa interna.

El calor se utiliza slo cuando se hace referencia a la energa que est siendo transferida de un cuerpo ca-liente a uno fri.

Para elevar la temperatura de un cuerpo sea en estado slido a lquido, se requiere aumentar el calor, esto es a mayor calor, mayor temperatura, mayor movimiento molecular.

El fenmeno anterior se observa cuando un lquido (agua) o un slido (arroz, carne) se introduce en el mi-croondas. Las ondas que actan sobre las molculas, les imprimen tremenda velocidad, millones de cho-ques y por lo mismo en 2 minutos el agua hierve; el arroz se calienta fuertemente.

DILATACIN DE LOS CUERPOS SLIDOS

Dilatacin. Significa extender, alargar, hacer mayor una cosa.

Los cuerpos se dilatan por el calor y se contraen cuando se enfran.

Todo cuerpo cuando se lo calienta, es decir, se eleva la temperatura aumenta sus dimensiones, en otras palabras, se dilata.

Ejemplos:

20 C

pasa la esfera

500 C

300 C No pasa la esfera

1 m 1 m

500 C 0,05 aumento 1 m

-1,05 m-

POR QU SE DILATAN LOS CUERPOS SLIDOS?

Los cuerpos slidos, sobre todo aquellos que forman cristales atmicos o moleculares como el diamante y el cloruro de sodio, se caracterizan porque guardan una ordenacin geomtrica en el espacio, as unos cristali-zan en el sistema cbico, otros en el rmbico, etc. Por esta razn tienen propiedades muy caractersticas.

La forma ms comn y que se la puede hacer en el iaboratorio o en la casa del estudiante es transformar la sal en grano o la sal refinada en sal cristalizada, prc-tica muy sencilla.

Na CL Na CL fia CL

CL N3

Na CL

10 C

Na

Na CL 20 C

Na

Na CL 80 C

Na. - Na. Longitud

de enlace 1,30 1,31

Na. 1,45

Cuando aumenta la temperatura se observa que los tomos empiezan a separarse, aumenta la distancia entre Na y Cl. En los grficos se aprecia que los resor-tes (enlaces) empiezan a estirarse, el cubo aumenta de volumen, hasta que pueden zafarse y destruir la estructura cristalogrfica.

Cosa similar ocurre en las lminas metlicas donde el enlace metlico por efecto del calentamiento, aumen-ta de longitud.

Pb Pb Zn

Cu

Zn

Cu

i 55 cm 53 cm

52 cm < 50 cm

25 C 300 C

DILATACIN LINEAL Lo

Es el aumento de longitud (L) que se produce por el aumento de temperatura.

Bachillerato General Unificado 5 /

^ Q f e l i l

BLOQUE 2

Para un cuerpo en forma de varilla, plancha o barra, la variacin o aumento de la longitud ( ) con la ele-vacin de temperatura es directamente proporcional a la longitud original (Lo) y a la variacin de tempera-tura ( ), dependiendo del coeficiente de dilatacin ( I ) del material del cual est hecho. El valor de a se lo ha calculado experimentalmente y viene dado en un listado que lo incluiremos ms adelante.

Lo

Al

= Variacin

= L-Lo

= Coeficiente de dilatacin lineal. = Longitud original.

= Longitud final. = Variacin de la longitud (aumento). = Variacin de la temperatura.

AL = a Lo AT

Valores de a para diferentes materiales:

Plomo Aluminio Latn Cobre Acero Concreto Oro Vidrio comn Vidrio prex

-> 29x10" 6 *- 24 x 10"6 -> 20 x 10~6 > 16x 10 6^ r] >- 12 x 10"6 *- 12x10~6 c - 1 *- 14x10" 6 > 9x10" 6 *- 3x 10"6

js.ripo;

Una plancha de acero de 3 m de largo se encuentra a una temperatura de 20 C. Luego la temperatura au-menta 10 C ms. Se debe calcular la longitud final de la plancha.

Datos a = 12x10" 6 c 1 Lo = 3 m To= 20 C M -T= 30C AT=10C (T-To)

(30-20= 10) AL = x L= x

To = 20 C Lo

, ^

3m

T = 30 C

Frmula AL = O. Lo AT

-AL = (12x 10 6 C _ 1) (3 m x 10 C) AL = 360x 10"6 AL = 0,000360 m

L = Lo + AL L = 3 + 0, 000360 m L = 3,000360 m

Una varilla de aluminio de 5m de longitud se usa en la construccin de una loza en un edificio. Su temperatura a las 6 am es de 12 C. Qu ocurrir si la varilla se la calienta a 1400 C?

'. Dos paredes de concreto estn totalmente unidas a dos edificios vecinos. Se las fundi a 20 C. Si la temperatura aument a 95 C, se pregunta:

a. Cunto aument cada pared? fe. Qu debe ocurrir con los dos edificios?

JUNTAS DE

juntas de dilatacin

Se denominan a los espacios vacos que separan dos estructuras, bloques o rieles de ferrocarril y

Permiten que, cuando se produce el fenmeno de dilatacin, no se unan hermticamente no se levan-ten en un ngulo caracterstico, evitando daos en las construcciones, derrumbes o imperfecciones en las lneas del ferrocarril.

junta de dilatacin

5 8 Fsica y Qumica

BLOQUE 2

Paralelas o rieles de ferrocaril

normal

Paralelas deformadas sin

juntas de separacin

desciende a 5 C llega a zona caliente de 50 C aumen-ta el volumen, disminuye la densidad y la corriente del viento asciende.

5C Vientos

Superficie terrestre

50 "C

Zona caliente

Los grficos demuestran: a) la construccin de 2 edifi-cios que estn correctamente reparados por las juntas de dilatacin y b) Las rieles del ferrocarril, que tam-bin estn separados por las juntas de dilatacin, as se evita deformaciones de las paredes.

Otra experiencia realizada en 2 clases de vidrios con diferentes coeficientes de dilatacin:

a. vidrio de venta na a = 9 x 10"6 C 1 . b. vidrio prex a = 3 x 10"6 C \

Si los dos vidrios se someten a calentamiento en el mechero de Bnsen se observa que el vidrio de venta-na, que tiene mayor coeficiente de dilatacin se rom-pe fcilmente en varios pedazos. En cambio, el vidrio prex no se fractura.

Otro aspecto en donde tiene influencia el coeficiente de dilatacin es la densidad (D = m/v). As, cuando hay un aumento de temperatura lgicamente el volumen, tambin aumenta, por lo tanto la densidad tiene que disminuir.

A

D = m v

= AL = 4 mi 1,25 g/ml D

_5CL 8 mi 0,62 g/ml

Se observa como aumentando el volumen en el esta-do B, que sufri un calentamiento, aument el volu-men (8 mi) y la densidad disminuy de 1,25 a 0,62.

La disminucin de la densidad, por efecto del calenta-miento, explica la direccin de los vientos: la corriente

2.1 DILATACION DE SOLIDOS Y LIQUIDOS

En los lquidos se sigue la misma regla indicada para los slidos: "Los cuerpos se dilatan o aumentan de

Como los lquidos no forman redes cristalogrficas no tiene importancia la dilatacin lineal sino la denomi-nada dilatacin volumtrica (Y), que tiene un valor especfico para cada lquido.

Hay que anotar que en el caso del agua, se observa un comportamiento especial, anormal respecto a los de-ms lquidos, puesto que el agua "cuando se eleva la

, en tanto que

el valor de la densidad aumenta.

Veamos los siguientes grficos: 1,00

= 0,999

OI .

~ a.

0,998

0,997

0,996

/ \

/ o 4 6

Temperatura C 10

Bachillerato General Unificado 5 9

BLOQUE 2

Agua 4 -C

DH 2 0 a 4C = 1,000 g/ml

DH 2 0 a 1QC = 0, 997 g/ml

Mxima densidad del agua 1,01

e f 1,00

0,999

12 16 Tempe - . . CZ

20 24

En el grfico N1 se concluye que el mayor valor de densidad del agua 1,000 se produce a 4 C.

En el grfico N2 se observa que si la temperatura au-menta (de 0 C a 4 C) el volumen disminuye. Caso anormal (de 1,00 a 0,999).

Luego sigue la regla: al aumentar la temperatura (de 4 C a 24 C) el volumen aumenta en 1,01 cm 3 .

Es decir que una masa de agua tendr un valor mni-mo de volumen a 4 C, equivalente a decir que a 4 C la densidad del agua es mnima.

El agua alcanza su mxima densidad a 4 C. El agua tiene un mnimo de volumen a 4 C.

VALORES DE DILATACIN VOLUMTRICA ( Y )

Etanol Glicerina Mercurio Petrleo

0,75 x 10" 0,50 x 10" 0,18 x 10" 0,90x10"

Se explica entonces que en aquellos pases que tienen las cuatro estaciones del ao bien definidas, en la es-tacin de invierno los lagos y ros s congelan, existe nieve nicamente en la superficie esto es a 0 C, ya que internamente (en el fondo) donde la temperatura del agua es 4 C, el volumen es mnimo, no existe con-gelamiento, no hay hielo 0 C.

En resumen, gracias a la propiedad que tiene el agua de alcanzar una mxima densidad a 4 C los ros y los la-gos no se congelan totalmente, sino solo la superficie.

Un recipiente de vidrio contiene 2000 ce de etanol a 0 C. Si la temperatura ha variado a 100 C. Cul es el valor de la dilatacin del alcohol?

Frmula AV etanol = Y etanol Vo AT

Datos AV etanol = X Y etanol = 0, 75x10" 3 Vo = 2000 ce AT= 100 C

AV etanol = 0, 75 x 10 x 2000 ce x 100 C AV =

2.2 CALORIMETRIA, FUSION Y VAPORIZACIN

Calorimetra. Permite determinar el calor especfico o calor de combustin de una

sustancia, mediante el calor intercambiado entre dos cuerpos.

Calormetro o bomba calorimtrica es el aparato que permite medir el calor de combustin.

Tiene por finalidad determinar el calor de combus-tin de una sustancia, cuya importancia se lo aprecia por ejemplo con las sustancias explosivas como dina-mita, trinitro toluento (TNT); la determinacin de la energa producida por la transformacin de alimentos en los organismos vivos.

La unidad de calor es la calora, que es la cantidad de calor necesaria para elevar un gramo de agua desde

( 3 0 F ' s i c a Y Qumica

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agitador U-^J jP * " f ^ ^ - j terminales elctricas

termmetro

recipiente aislado

entrada de oxgeno

bomba

recipiente con muestra

agua

0 C a 1 C. La kilocalora es la unidad de calor necesa-ria para elevar un kilogramo de agua desde 0 C a 1 C.

El aparato que permite medir el calor de reaccin o de combustin se llama calormetro o bomba calori-

Es formado por un recipiente de acero muy resistente, esmaltado en su interior que puede cerrarse mediante rosca, contiene una cpsu-la o plato donde se coloca un peso determinado de la sustancia, generalmente un gramo, cuyo calor de combustin se va a determinar. Sobre la cpsula se co-loca un alambre de hierro destinado a ponerse incan-descente mediante el paso de la corriente elctrica.

La bomba est sumergida en un recipiente que con-tiene agua, todo esto est aislado mediante una ca-misa que lleva agua. Finalmente, existen un agitador y un termmetro. Cerrada la bomba, se llena de oxgeno puro. Se conecta la corriente, se produce la chispa y la combustin del gramo de sustancia que se coloc en la bomba. El calor producido durante la combustin es absorbido por el agua, aumento que es registrado en el termmetro.

Cuando un cuerpo es colocado en el interior del calo-rmetro, cuya temperatura es diferente a la del agua que se encuentra tambin en el interior del aparato, se producir un intercambio de calor entre la tempera-tura del cuerpo y la del agua hasta que se alcance el equilibrio trmico.

En el aparato no puede haber entrada ni salida de ca-lor (lo mismo que ocurre en un termo comn).

Tomando en cuenta el principio de la conservacin de la energa una vez que se llega al equilibrio trmico, se tiene:

El calor total liberado por el cuerpo que se enfra es exactamente igual ai calor absorbido

por eS cuerpo que se calienta.

Esto significa que: calor liberado = calor absorbido

T2 T, 85C 20C

H20 = 90 g T, = 20 C

Fe = 100 g T 2 = 85 C

25 C

El autor Mximo explica el fenmeno con el siguiente ejemplo:

Se trata de encontrar el calor especfico de una mues-tra de hierro con los siguientes datos:

Un calormetro tiene una capacidad trmica de 42 Cal/ C el mismo que contiene 90 g de agua. El conjunto marca 20 C.

Si en el aparato se introduce una muestra de hierro puro que pesa 100 g a una temperatura de 86 C.

Despus de producirse la combustin del metal, la nueva temperatura de equilibrio es de 25 C. Determi-nar el calor especfico (c).

El hierro se enfri de 85 C a 25 C. El agua se calent de 20 C a 25 C.

El valor especfico (c) del agua es igual a 1 Ca L

a. Calor cedido por el hierro = 100 x C x (85 - 25) b. Calor absorbido por el agua - 90 x 1 x (25 - 20)

c. Calor absorbido por el calormetro = 42 x (25 - 20)

Sabiendo que: calor liberado = calor absorbido.

100 x C x (85 - 25) = 90 x 1 (25 - 20) + 42 (25 - 20) C = CaL

Bachillerato General Unificado 51

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DHjO a 4C = 1,000 g/ml

DH 2 0 a 10 C = 0,997 g/ml

Mxima densidad del agua 1,01

a r

c 5

1,00

0,999 -

8 12 16 Tempe ? :'C

20 24

En el grfico densidad del

N1 se concluye que el mayor valor de agua 1,000 se produce a 4 C.

En resumen, gracias a la propiedad que tiene el agua de alcanzar una mxima densidad a 4C los ros y los la-gos no se congelan totalmente, sino solo la superficie.

Un recipiente de vidrio contiene 2000 ce de etanol a 0 C. Si la temperatura ha variado a 100 C. Cul es el valor de la dilatacin del alcohol?

En el grfico N2 se observa que si la temperatura au-menta (de 0 C a 4 C) el volumen disminuye. Caso anormal (de 1,00 a 0,999).

Luego sigue la regla: al aumentar fe temperatura (de

Es decir que una masa de agua tendr un valor mni-mo de volumen a 4 C, equivalente a decir que a 4 C la densidad del agua es mnima.

El agua alcanza su mxima densidad a 4 C. El agua tiene un mnimo de volumen a 4 C.

VALORES DE DILATACIN VOLUMTRICA ( Y )

Etanol 0,75 x 10"3 Glicerina 0,50x10" 3 Mercurio 0,18 x 10"3 Petrleo 0,90 x 10"3

Se explica entonces que en aquellos pases que tienen las cuatro estaciones del ao bien definidas, en la es-tacin de invierno los lagos y ros se congelan, existe nieve nicamente en la superficie esto es a 0 C, ya que internamente (en el fondo) donde la temperatura del agua es 4 C, el volumen es mnimo, no existe con-gelamiento, no hay hielo 0 C

Datos Frmula AV etanol = X AV etanol = Y etanol Vo AT Y etanol = 0, 75x10" 3 Vo = 2000 ce AT =100C

AV etanol = 0,75 x 10"3 x 2000 ce x 100 C AV = 150 ce

2.2 CALORIMETRA, FUSIN Y VAPORIZACIN

Permite determinar el calor especfico o calor de combustin de una

sustancia, mediante el calor intercambiado entre dos cuerpos.

Calormetro o bomba calorimtrica es el aparato que permite medir el calor de combustin.

Tiene por finalidad determinar el calor de combus-tin de una sustancia, cuya importancia se lo aprecia por ejemplo con las sustancias explosivas como dina-mita, trinitro toluento (TNT); la determinacin de la energa producida por la transformacin de alimentos en los organismos vivos.

La unidad de calor es la calora, que es la cantidad de calor necesaria para elevar un gramo de agua desde

( 5 0 Fsica y Qumica

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C U E S T I O N A R I O P A R A D E M O S T R A R L O A P R E N D I D O

Conteste en su cuaderno de deberes.

1. Defina qu es temperatura.

2. Defina qu es calor

3. Establezca diferencias entre calor y temperatura.

4. Mediante un grfico, explique la forma como la temperatura se transforma en calor.

i 5. Demuestre grficamente lo que es la dilatacin de un cuerpo.

6. Qu ocurre cuando una sustancia que forma un cristal se lo somete al calor? Utilice grficos.

7. Qu significa junta de dilatacin, Cul es su importancia?

8. Demuestre grficamente que la mxima densidad de agua es igual a 1,000 g/ml.

9. Explique cmo funciona un calormetro.

2.2 F U S I N (P. F) r

Hielo Agua

r

Agua hirviendo

Fusin Evaporacin

Solidificacin Licuacin

Fusin. Es el cambio fsico del estado slido al estado lquido por aumento de la temperatura.

Por ejemplo, al calentar un trozo de hielo el agua se vuelve lquida, al calentarse una varilla de hierro se transforma en lquido.

Se entiende que en un cuerpo slido, ya sea en forma de cristal o amorfo, existe un predominio de la fuer-za de cohesin molecular sobre la fuerza de expan-sin, pero el slido conserva su estructura molecular, esto es la disposicin de los tomos y molculas en el espacio.

Pero cuando el cuerpo es sometido a calentamiento hay un aumento de la energa cintica, se agrandan los espacios intermoleculares, aumenta el nmero de

choques. Esto significa que se desorganiza la sim-trica molecular o atmica originando que la fuerza de cohesin se guale a la fuerza de expansin, enton-ces, el cuerpo slido pasa al estado lquido, es decir, se funde.

IMPORTANCIA DEL PUNVn r

El punto de fusin tiene un valor nico y caracterstico para un cuerpo puro. Es como la

huella digital humana.

Un cuerpo simple (Fe) o compuesto (C 6H 1 2Q 6), cuan-do se encuentran al estado QP (qumicamente puro) pasan del estado slido al lquido en un solo grado termomtrco; este valor sirve para identificar a un

52 Fsica y Qumica

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cuerpo. El punto de fusin es una constante fsica que no est influenciado por la presin atmosfrica.

Por ejemplo analizamos un cuerpo orgnico slido, de color blanco que funde a una temperatura de 121 C que corresponde al cido benzoico. Esta determi-nacin puede realizarse en Quito, en Madrid, en Pars siempre se obtendr 121 C para el cido benzoico.

Cada cuerpo puro, ya sea simple o compuesto, tiene su tpico punto de fusin (PF) as:

Agua > 0 Pb 327 Fe 1520 Pt 1775

f en C Naftaleno - 80 Ac. benzoico 121 Aspirina 135

1. Las molculas internas. Son aquellas que se si-tan de la parte libre del lquido hacia abajo.

2. Las molculas superficiales. Son las que tienen contacto con el aire y, por sus propios movimien-tos ejercen una presin de abajo hacia arriba, que se llama presin de vapor y que tiene un va-lor que aumenta cuando la temperatura se eleva.

presin atmosfrica

Jf jt A O j j J J . presin de vapor

VAPORIZACIN O EVAPORACIN

Es el cambio del estado lquido al estado de vapor.

Este cambio de fase se produce por aumento de la temperatura mediante el mecanismo de evaporacin y ebullicin.

Desde ya es necesario indicar que no es lo mismo el fenmeno de evaporacin con el de ebullicin; ya ex-plicaremos ms adelante.

Relaciones de los lquidos con la presin de vapor

Presin de vapor. Presin que ejercen las molculas gaseosas de abajo hacia arriba.

En el cinetsmo se producen choques entre las mol-culas y choques contra el recipiente que lo contiene.

En una masa lquida se distinguen dos clases de mol-culas por la posicin que ocupan y son:

3 j C; O C

M t t t t o o o o o o o o o o o

o o o o

molculas superficiales

molculas internas

calor

Por otro lado, hay que considerar que la presin at-:r,o:is):,t que se ejecuta de arriba hacia abajo sobre las molculas, impide que abandonen fcilmente el estado lquido y pasen al estado de vapor.

Recordemos que la presin atmosfrica tiene valo-res variables de acuerdo a la altura de un lugar; as a 0 metros, es decir a nivel del mar (Guayaquil) el valor de la presin atmosfrica es de 760 mm de Hg; si se asciende a 2850 m (altitud de Quito) la presin es de 540 mm Hg.

presin atmosrerica

760 m

_ J

Es el paso ci !as rnoirMi z:rc;:,-ciales del estado lquido al estado de vapor o gaseo-

Bachillerato General Unificado (53

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so por aumento de la temperatura, sin que llegue a hervir.

Velocidad de evaporacin. La evaporacin se ve afectada por los siguientes factores:

a. El aumento de la temperatura. Originar mayor velocidad de evaporacin, ya que aumentar el movimiento molecular y por consiguiente la pre-sin de abajo hacia arriba, esto es, la presin de vapor.

b. La superficie. Si sta es mayor, aumentar la ve-locidad de evaporacin puesto que pasarn ms molculas de lquido a vapor. Mayor evaporacin se producir en el recipiente B.

l l l O O O O u n a n Este fenmeno se aprecia cuando una sbana mo-jada se tiene que secar, lo ms rpido ocurre cuan-do se lo extiende, antes que cuando permanece doblada.

En el mismo caso de la ropa mojada se dice: "el da que no hace sol, el viento seca la ropa", porque las molculas que pasan a la fase de vapor son retira-das de la superficie por el viento y ms molculas se evaporan, no hay saturacin, es un ambiente no cerrado sino abierto.

Se denomina ebullicin de un lquido, la temperatura a la cual la presin de vapor del

lquido es igual a la presin atmosfrica.

En la ebullicin se observa que las molculas sean in-ternas o superficiales pasan del estado lquido al va-por y justamente esto constituye la diferencia entre ebullicin y evaporacin.

El punto de ebullicin, en una definicin ms senci-lla, es el grado termomtrco en si hierve.

La ebullicin sirve para:

1, Identificar un lquido, ya que cada uno de stos tiene su propio punto de ebullicin a una presin dada, es as una constante fsica.

2, Permite la separacin de una mezcla de dos o ms lquidos miscibles como por ejemplo en la destila-cin fraccionada del petrleo, del cual se obtienen los diferentes derivados como gasolina, krex, die-sel, etc., cada uno de los cuales hierve a tempera-tura determinada.

: c :!;,>-".-iC. . . ~to . ; -.i- \

1. Presin atmosfrica.Tiene una influencia directa en la ebullicin de un lquido, as: a mayor presin, mayor punto de ebullicin. Veamos los diferentes puntos de ebullicin del agua.

Presin atmosfrica 540 650 760 mm Hq

Tambin se observa que cuando usted toma una sopa muy caliente, el contenido de una cuchara sopla para que se enfre ms rpidamente, favo-reciendo que nuevas molculas pasen del estado lquido al de vapor.

Un hecho importante es sealar que en la evapo-racin se puede producir el fenmeno por el cual las molculas que han pasado a la fase de vapor retornan nuevamente a la fase lquida, fenmeno que se observa en un recipiente cerrado o tapado donde se efecta la saturacin del vapor.

Temperatura de ebullicin 92 96 100 C

Como se ve, aumenta el punto de ebullicin cuan-do aumenta la presin externa o atmosfrica, por lo mismo comparando Quito que tiene una pre-sin de 543 torr el agua hierve a 92 C; en Guaya-quil con 760 torr, el agua hierve a 100 C. De ma-nera que el cocimiento de los alimentos requiere ms tiempo a nivel del mar.

Una presin confinante superior a la atmosfrica hace que la ebullicin se realice a temperaturas ms altas que se lograran en un recipiente abier-

54 Fsica y Qumica

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to. Este fundamento se utiliza en una olla a pre-sin, que tiene una tapa hermticamente ajusta-da que evita el escape del vapor, aumentando la presin en el interior del recipiente y, por lo tanto, elevando la temperatura de ebullicin, cocindo-se ms rpidamente los alimentos. Estos recipien-tes llevan una vlvula que permite salir el vapor, a fin de evitar la explosin de la olla.

.:. : : - , : v : El punto de ebullicin vara para lquidos asociados y no asociados; los pri-meros estn unidos mediante el llamado puente de hidrgeno como ocurre con el agua, los alco-holes, los cidos orgnicos. Los segundos no estn unidos por el puente como sucede con los hidro-carburos, los esteres, los teres. El punto de ebulli-cin es siempre mayor para los lquidos asociados que para los no asociados.

Para calcular a qu temperatura hierve un lquido en un determinado lugar se procede en la siguien-te forma. Ejemplo:

"yY'lh-y.,,::*:. i:hr-M i\i>.i:--.. AV:k : en Quito? Pasos a seguirse:

a. El agua es un lquido asociado.

b. Expresar en grados Kelvin el punto de ebulli-cin del agua a 760 mm Hg. 100 C--273 = 373 K.

c. Dividir el resultado para la constante 1020 que sirve para lquidos asociados, o para 850 para lquidos no asociados.

d. Restar la presin normal con la de Quito. (540 mm Hg) y expresarlo en centmetros. 760 - 540 = 220 mm = 22 cm.

e. Multiplicar el literal ex d y restar de 100. 0,36 x 22 = 7,92 C 100 C-7,92 C = 92,08 C El agua hierve en Quito a 92,08 C.

Calcular el punto de ebullicin en Quito del hidrocar-buro C 7 H 1 6 que es un lquido no asociado y que a nivel

del mar hierve a 98 C. La respuesta est al final del texto.

2.3 TRANSMISIN DE CALOR Recordando el concepto de calor:

Calor es la energa transmitida de un cuerpo a otro, debido a que existe una diferencia de

temperatura entre ellos.

Se insiste en que el calor es una energa que se produ-ce por el aumento de la velocidad de los tomos y mo-lculas ya sea en sus movimientos de desplazamiento o en sus vibraciones o rotaciones.

Si el calor es energa que se trasmite de un cuerpo caliente a un cuerpo fri, significa que el movimiento cintico-molecular o atmico va pasando del cuerpo caliente al fri, hasta obtener el punto de equilibrio.

i - T 3 O 0 O O O

\i f o o o o o O O 0

T, = 50 C T 2 = 10C T 3 = 30 C

Se insiste en sealar que "El calor es energa de tran-sicin", es decir, que pasa de un cuerpo a otro porque existe una diferencia de temperatura (T, mayor que T 2).

Un cuerpo caliente tiene mayor movimiento de sus tomos y molculas, a medida que disminuye la tem-peratura, tambin disminuye la velocidad de mo-vimiento. La conclusin es que todo cuerpo tiene

Un hecho importante es indicar que la energa interna de un cuerpo puede aumentar sin que se le suminis-tre calor, es suficiente que aumente el cinetsmo de las partculas. Esto se puede comprobar cuando se pone agua del tubo en una botella, con una temperatura aproximada de 12 C. Si se tapa y se agita fuertemente, la energa interna aumenta y por ende la temperatura, que sube a 13 C.

Bachillerato General Unificado 55

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Si sus manos estn fras, frtese unos dos minutos y tes que suben y molculas fras que bajan; se produce, sentir que se calientan. primero evaporacin, y segundo ebullicin.

Si una persona sale del dormitorio en pantaloneta al patio, siente que se enfra, porque el cuerpo humano tiene una temperatura de 37 C y en el patio hay solo 10 C, as la energa pasara del cuerpo al ambiente.

CORRIENTE DE CONVECCIN

Es el movimiento de las molculas de arriba hacia debajo de acuerdo a la densidad.

El presente experimento demostrar las capas inferio-res del agua que se encuentra en el recipiente.

Las molculas al recibir calor aumentan el volumen, disminuyen la densidad y suben a las capas superio-res. Mientras que las molculas superficiales bajan debido a su mayor densidad y as se establece un mo-vimiento de sube y baja que se denomina corrientes de conversin.

bajan

r 'o

T P

o

o o o o

suben

Mayor densidad

A Menor densidad

calor

2.4 TERMODINAMICA

Es la parte de la fsica que trata de los fenmenos relacionados con la energa trmica

y las leyes que rigen las transformaciones de sta en energa mecnica y viceversa.

Transforma:

ENERGIA TRMICA ENERGIA MECANICA

Preliminares

Sistema:

Es la porcin de materia bien definida y limitada por una superficie cerrada real o imaginaria.

Ejemplos de sistemas:

El gas contenido en un recipiente.

Una cantidad de lquido en una tubera.

Todo aquello que no pertenece al sistema, es decir, el mundo exterior se llama vecindad o ambiente.

Un sistema puede intercambiar energa con su vecin-dad mediante dos mecanismos:

1. En forma de calor.

En otro ejemplo se entiende este fenmeno. En una refrigeradora, el aire fri se encuentra en la parte su-perior a -4 C (congelador), el aire se vuelve denso, pesado por lo que desciende, en tanto que el aire de la parte inferior (que tiene menor densidad) sube en el interior de la refrigeradora y se mantiene temperatura constante por las corrientes de conveccin (excepto la temperatura del congelador que est cerrado)

El mismo fenmeno ocurre cuando se empieza a ca-lentar agua en un recipiente, existen molculas calien-

2, Para realizar un trabajo.

En el primer caso se tiene por ejemplo un recipiente que contiene agua y que va a ser calentado en una cocina de gas. All se encuentra el sistema cerrado que es el recipiente, y la vecindad es el interior de la cocina. Cuando se realiza el funcionamiento, se tiene mayor energa calrica en la hornilla (vecindad) la que es transferida al sistema (recipiente).

En el segundo caso, se puede realizar un trabajo en el interior de un cilindro. Por ejemplo un pistn de mo-

(5(5 Fsica y Qumica

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tor, cuando por aumento de temperatura el gas se ex-pande (sistema) y produce el trabajo al subir el pistn (vecindad).

LEYES DE LA TERMODINMICA

Se tiene establecido que el movimiento de tomos y molculas en un cuerpo da lugar a lo que se liama energa interna total, la misma que representa la unin de pequeas energas que ah se producen.

Cuando un sistema pasa del estado inicial (Ui) al esta-do final (Uf), se observa que:

a. Se absorbe o libera calor.

b. Se efecta o absorbe un trabajo.

La energa interna cambia de un valor inicial a otro va-lor final.

AU = Variacin de la energa interna. U F= Energa final. Ui = Energa inicial.

Explica qu:

En la naturaleza, la energa total del universo permanece constante, con o sin transferencia

de energa.

Tanto el trabajo como el calor son cantidades que des-criben la transferencia de energa de un cuerpo a otro en forma de trabajo.

Por lo tanto se deduce que: "Cuando dos sistemas ac-tan a diferentes temperaturas, puede pasar calor de un sistema a otro en forma directa o tambin puede hacer transferencia de materia de un sistema a otro".

Entonces hay que distinguir entre transferencia de ca-lor y transferencia de materia.

La energa, tambin, se transfiere de un sistema a otro en forma de trabajo.

Se tendr en cuenta el trabajo realizado por el sistema sobre sus alrededores o vec indad o por dichos a l rededores sobre el sistema. De acuerdo al enun-ciado de la primera ley de la termodinmica donde la a -'='l"a ';: %% - a., tenemos que s: se otorga calor (Q) a un sistema, se produce un aumento de la energa interna (U) en una cantidad igual a la ener-ga calrica suministrada, sin que se realice ningn trabajo.

El aumento de energa interna es el incremento de la energa de las molculas del sistema:

En el caso de que no se transfiera calor sino, que al sis-tema se agrega una cantidad de sustancias que ahora s, producen trabajo (W), entonces la energa del sis-tema aumenta una cantidad igual al trabajo, luego:

A U = W (sin transferencia de calor)

Resumiendo se tiene que: "Cuando se aporta calor (Q) al sistema y se realiza sobre l una cantidad

dsdk xz.i

AU = Q (calor absorbido por el sistema + trabajo (W) efectuado sobre el sistema).

Para aclarar mejor la primera ley de la termodinmi-ca, a continuacin se indica un enunciado equivalente que dice:

"Cuando cierta cantidad de calor (Q) es absor-bido (Q positivo) o cedido (Q negativo) por un sistema y un trabajo (T) es realizado por dicho sistema (T positivo) o sobre l (T negativo), la variacin de la energa interna (AU) del sistema est dado por:

Bachillerato General Unificado (57

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TALLER LABORATORIO EVAPORACIN, EBULLICIN Y DESTILACIN

Objetivo Diferenciar ebullicin y evaporacin.

Demostrar que la destilacin se basa en la diferencia de los puntos de ebullicin de sus componentes.

Materiales Reactivos Termmetro Agua Soporte Alcohol Pinzas o ter

Trpode Tela de amianto

Mechero de Bunsen Vaso de precipitacin Baln de destilacin

Refrigerante Erlenmeyer

Tcnica 1. Evaporacin. En un vaso de precipitacin colo-

que agua hasta la mitad del recipiente, introduz-ca en el lquido un termmetro, que suspenda de una llave acoplada al soporte metlico, lleve el vaso a calentamiento utilizando el mechero de Bunsen. Observe permanentemente el ascenso de la temperatura.

2. Ebullicin. Con el mismo experimento anterior, eleve la temperatura hasta que el lquido hierva. Anote la temperatura. Siga calentando lentamen-te durante 5 minutos. Observar que la tempera-tura no sube ms, se mantiene estacionaria.

Usted sabr a qu temperatura hierve el agua des-tilada en la ciudad que se encuentre realizando el experimento. Si no lo sabe, calcule matemtica-mente investigando cul es la presin atmosfrica en su ciudad.

Si no conoce el lquido en experimentacin, anote la temperatura a la cual hierve. Consulte un ma-nual sobre puntos de ebullicin a presin normal, y realice el clculo correspondiente Puede con-feccionar una tabla de puntos de ebullicin en su ciudad, utilizando varios lquidos puros como: al-cohol, ter, cloroformo.

Luego del experimento, piense la diferencia entre ebullicin y evaporacin y conteste:

a. Qu habr ocurrido entre el valor de la presin de vapor y la presin atmosfrica?

b. Qu papel juegan las molculas del lquido?

c. Qu importancia tiene determinar el punto de ebullicin de un lquido?

d. Por qu el agua hierve a nivel del mar a 100 C y en una ciudad ms alta a menor temperatura, por ejemplo en Quito lo hace a 92 C?

e. Ser posible separar una mezcla de lquidos miscibles?

3. Destilacin. Arme el dispositivo de destilacin. Introduzca en el baln volmenes iguales de ter, alcohol y agua. Realice la destilacin y conteste:

a. Cul lquido destil primero y cul fue el ltimo?

b. En qu se fundamenta la destilacin?

c. Explique cmo se obtienen los derivados del petrleo como la gasolina, el krex, los aceites, etc.

d. Cmo se obtiene el agua destilada y el agua bi destilada (para inyecciones)?

e. Qu relacin existe entre la altura de una ciu-dad y su punto de ebullicin?

f. Cmo se obtiene aguardiente a partir de la caa de azcar (trapiches)?

g. Cmo se destila el aire para obtener oxgeno y nitrgeno?

h. Cul es el fundamento de la destilacin? Consulte algunas aplicaciones de tipo industrial y domstico sobre la destilacin como mtodo de separacin de mezclas de lquidos miscibles.

Incluya en su informe la respuesta a cada una de estas interrogantes.

Cuando haya terminado la prctica, elabore el infor-me detallando la tcnica, grficos, reacciones qumi-cas (si las hay), clculos matemticos, recomenda-ciones, conclusiones, bibliografa, etc., y entregue al profesor(a) para su calificacin.

(58 Fsica y Qumica

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Nombre:

Curso:

Fecha:

Calificacin:

Prueba objetiva

1. Escriba dentro del parntesis la letra V o F si consi- 4. La distancia inter atmica entre el Na y el Cl en el

cristal de cloruro de sodio es 1,30 . dera que la respuesta es verdadera o falsa.

a. El calor fluye de baja a alta temperatura. ( )

b. El calor es energa. ( )

c. El calor fluye de alta a baja temperatura. ( )

d. La temperatura va del cuerpo.

ms caliente al ms fro. ( )

e. La unidad de calor es el joule. ( )

2. Encierre dentro de un crculo la respuesta correcta.

A. Mayor cinetsmo molecular existe cuando la temperatura es:

a. 0C

b. 100 C

c. 20 C

B. La calora eleva un gramo de agua cuando la temperatura es:

a. De 14,5C a 15, 5C

b. De 20 C a 25 C

c. De 0 C a 4 C

3. Cuando un cuerpo es sometido al calor, qu le ocurre:

a. Se contrae.

b. No se altera.

c. Se dilata.

A. Cuando se calienta el cristal qu ocurre con la distancia:

a. Disminuye.

b. Aumenta.

c. No se altera.

B. Qu es dilatacin lineal?

a. Aumento de volumen.

b. Aumento de temperatura.

c. Aumento de longitud.

5. Una varilla de hierro que mide 3 m est a 20 C

A. La temperatura aumenta a 30 C, por tanto su medida ser:

a. Ms que 3 m

b. Menos que 3 m

c. Igual a 3 m

B. A qu se denomina junta de separacin?

a. A la distancia que une dos bloques.

b. A la separacin de dos bloques.

c. Al derrumbe de dos bloques.

Bachillerato General Unificado 59

Fotocopiar esta pgina para realizar la prueba

6. Explique mediante un grfico la razn de que los 9. Mediante dos grficos explique el fenmeno de | rieles del ferrocarril no se deforman. vaporizacin y ebullicin.

7. Explique la razn de que un lago en Estados Unidos en tiempo de invierno solo se congela la superficie.

8. Dibuje un esquema de los cambios fsicos de la 10. Enuncie y explique la primera ley de la materia con sus respectivos nombres. termodinmica.

70 Fsica y Qumica

J

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4Mh 0^k QUMI COLEGIO t '

EL CALOR Y LA TEMPERATURA Se desea saber, ampliar y en lo posible, realizar experi- Demuestre la razn porque el punto de fusin se lo mentos de los siguientes fenmenos.

Inquietudes Grupo 1

Es lo mismo los fenmenos fsicos de calor y tem-peratura? Demuestre que el calor es una energa en formacin.

compara a la huella digital humana.

Inquietudes Grupo 4

Demuestre qu es una junta de dilatacin, la impor-tancia que tiene y sus principales usos.

Cmo es la evaporacin de un lquido? Relacione la presin de vapor con la presin atmosfrica.

Demuestre experimentalmente que:

a. El PF no tiene influencia de la presin atmosfrica. Inquietudes Grupo 5

b. Que el PF permite identificar a un cuerpo. Demuestre cmo se determina la densidad en los lquidos. Cmo se estableci la densidad del agua destilada.

Inquietudes Grupo 2 Qu condiciones se requiere para que un lquido

Demuestre experimentalmente que el calor dilata a hierva? Cmo est influenciado el punto de ebulli-los cuerpos metlicos y orgnicos, incluyendo al ser cin por la presin atmosfrica? humano.

Que es la cristalizacin? Realice el experimento de la cristalizacin del cloruro de sodio.

Inquietudes Grupo 3

Demuestre experimentalmente el fenmeno de la di-latacin lineal.

Inquietudes Grupo 6

Construya un calormetro y explique su funcionamien-to. Qu es el metabolismo basal?

Explique la primera ley de la termodinmica.

&fl

Bachillerato General Unificado ~J ]

LOS ESTADOS DE LA MATERIA, PROPIEDADES Y COMPORTAMIENTO 3 Los estados de la materia 3,1 El estado gaseoso.

3.1.1 Propiedades generales de los gases.

3.1.2 Teora cintico - molecular de los gases.

3.1.3 Medicin de la presin de los gases. Relacin entre la presin, el nmero de molculas y temperatura de un gas.

3.1.5 Leyes de los gases. 3.1.6 Gases reales. Soluciones: componentes, tipos y propiedades.

: -Solubi l idad. 3.4 Rapidez de disolucin de slidos. 3.5 Concentracin de las soluciones en

unidades fsicas y qumicas. 3.6 Disoluciones y neutralizacin.

Preguntas de diagnstico sobre el bloque que va a estudiar.

Qu sabe usted sobre las siguientes interrogantes?

Cules son las principales caractersti-cas fsicas, qumicas y fisiolgicas de los gases que componen la atmsfera?

Cules son y cmo se forman el cuarto y quinto estado fsico de la materia?

Porqu el agua destilada hierve en la ciudad de Quito a 92 C. cuya altitud es 2850 m sobre el nivel del mar, y porqu en Guayaquil a 0 m hierve a 100 C?

Cmo se produce la lluvia acida y cu-les son las consecuencias que de ella se derivan?

Cul es el papel que desempea el compuesto qumico llamado tetra etilo de plomo ya sea en los motores, ya en el organismo humano? Qu es el "Plum-bismo"?

Qu diferencia existe entre el fenme-no de solvatacin y el puente de hidr-geno? Sabe qu es una mol y su relacin con

el nmero de Avogadro?

I Si usted desconoce, con el estudio del siguiente bloque, podr contestar satisfactoriamente,

B L O Q U E 3

3 LOS ESTADOS FISICOS DE LA MATERIA 2. cinco

t Slido

Y Lquido Gas

inica Cubo de hielo o sper tomo

Los estados fsicos de la materia son cinco, de los cua-les tres son completamente conocidos, estables y ma-nejables, ellos en el slido, lquido y gas.

Los otros dos no son bien conocidos ni tampoco estu-diados a profundidad, pues, son obtenidos cuando la materia ha sido sometida a condiciones drsticas de presin, temperatura, campos magnticos, etc. Ellos son el Plasma Inico o Quark Glun y el cubo de hielo o Sper tomo.

Ejercicios para clasificar cuerpos. Los siguientes cuerpos materiales oxgeno, agua, hierro, alcohol, ozono, esferogrfico, deben ser clasificados en los tres principales estados fsicos, tomando en cuenta algu-nas propiedades como: forma, volumen, densidad.

Gua. El estado fsico puede ser: slido, lquido o gas.

La forma puede ser: constante, variable, la del reci-piente que lo contiene.

El volumen puede ser: variable o constante.

La densidad puede ser: mxima, media, mnima.

Con el ejercicio habr descubierto algunas de las pro-piedades y diferencias entre los cuerpos slidos, lqui-dos, y gases.

FUERZAS QUE ACTUAN SOBRE LAS MOLCULAS

Expansin i

Cohesin

Sobre las molculas de los cuerpos actan dos fuerzas antagnicas, es decir, que operan en sentido contra-rio, ellas son:

1. Fuerza de expansin. Es la que acta del centro hacia afuera, trata de alejar a las molculas, obli-gndolas a ocupar el mayor volumen posible.

2. Fuerza de cohesin. Contraria a la anterior, acta de afuera hacia dentro, obligando a que las mol-culas se junten.

Ej- VOLUA EN

1 Hidrgeno gas carece variable mnima

2 Oxgeno

3 Agua

4 Hierro

5 Alcohol

6 Ozono

7 Esferogrfico

74 Fsica y Qumica

B L O Q U E 3

Estas dos fuerzas originan los tres principales estados fsicos; as:

Estado slido. ste estado se caracteriza porque la fuerza de cohesin molecular es mayor que la fuerza de expansin, los espacios intermoleculares son estre-chos, el movimiento de las molculas es lento y reco-rren poco espacio.

Estado lquido. Donde la fuerza de cohesin es igual a la de expansin, el movimiento de las molculas ha aumentado, as como los espacios intermoleculares.

Estado gaseoso. La fuerza de cohesin es menor que la de expansin, razn por la cual el movimiento o ci-netsmo de las molculas es intenso, los espacios in-termoleculares son amplios.

Los siguientes grficos ratifican lo dicho.

Fuerzas: Expansin(H) Cohesin(M)

Slido

t

Lquido Gas

3.1 ESTADO GASEOSO PRELIMINARES

CAPAS ATMOSFRICAS

Ionosfera

Messfera

Estratosfera t ; O k VW

Troposfera O - 4 2

Litosfera , ^ W r e s f * - e

- N2 = 78 %

0 2 = 21 %

2

Total

1 %

i 00% Grfico 1 Grfico 2

^ i

f

Grfico 3 Grfico 4 Grfico 5

Bachillerato General Unificado 75

B L O Q U E 3

LA ATMSFERA

Propiedades del aire atmosfrico

El aire es una masa gaseosa que no tiene olor, no tiene sabor, ni color.

El aire tiene peso. Un litro de aire a 0 C y 1 atm de presin pesa 1,3 gramos.

Es comburente, por ellofavorece las combustiones.

Es indispensable para la respiracin del ser huma-no y de los animales.

Es conductor del calor y de la electricidad.

Qumicamente est compuesto de dos gases prin-cipales nitrgeno y oxgeno (99%).

El aire hmedo oxida los metales.

Presin ejercida por un gas. Las molculas gaseosas estn dotadas de un enorme cinetsmo o movimiento, esto significa que tienen mucha energa, de all que se mueven en todas direcciones, que choquen en-tre ellas, que chocan contra las paredes del recipiente que los contiene encerradas, se forma un bombardeo tratando de escapar (grfico 4). Estos choques por uni-dad de rea constituye la presin de los gases.

Cmo se encuentran los espacios intermoleculares en los gases. Los espacios entre molcula y molcula son muy amplios (grfico 3), de all que se los puede comprimir, acercarles, hasta llegar al estado lquido e inclusive al slido.

Por estos amplsimos espacios intermoleculares es que las molculas se puedan mover con mucha facili-dad y a gran velocidad.

Los espacios intermoleculares se pueden comparar a un campo de ftbol con los 22 jugadores.

3.1.1 PROPIEDADES GENERALES DE LOS GASES

1. Forma. Los gases carecen de forma debido a la gran movilidad de sus molculas; por ello, toman la forma del recipiente que lo contiene, al igual que los lquidos.

2. Volumen. Es variable. Los gases ocupan el vo-lumen del recipiente que estn contenidos, por ejemplo el humo del cigarrillo puede ocupar el volumen de un tubo de ensayo de 10ml, o el volu-men de un baln de 1000 mi.

3. Oifusin. Este fenmeno consiste en la mezcla de dos o ms gases, generalmente a gran velocidad. La difusin se lo puede comprobar cuando se lan-za una bomba lacrimgena en el ambiente, el olor y el efecto del gas se difunde rpidamente en el aire. Lo mismo ocurre con cualquier gas de mal olor que se difunde en un dormitorio.

4. Densidad. Los gases son muy livianos en compa-racin con los cuerpos lquidos y slidos. Si la den-sidad del aire atmosfrico es igual a 0,00129 g/ml y la del agua es 1,000 g/ml, se puede establecer comparaciones con algunos cuerpos para saber si los gases son ms o menos densos:

H = 0,000089 g/ml. 0 = 0,00143 g/ml. Etanol = 0,79 g/ml. NaCI = 2,16g/ml.

Recordatorio. Recuerde la forma de determinar la densidad de los cuerpos.

Determine la densidad de un lquido, si 748 gramos ocupan un volumen de 647 mi.

5. Fluidez. Los gases son muy fluidos motivo por el cual se desplazan a gran velocidad ya que no tie-nen una estructura compacta, no hay rozamiento o resistencia molecular.

6. Compresibilidad. Debido a los amplios espacios intermoleculares, los gases se comprimen, es de-cir, las molculas se juntan por lo que disminuye el volumen.

3.1.2 TEORIA CINETICO -^^)LECULAR DE LOS (BASES

Etimologa: cintico =

/Q Fsica y Qumica

Concepto: Es el movimiento permanente, ininterrum-pido de las molculas en completo desorden, en lnea de zig - zag. Puede compararse a los choques de los autos de un parque de diversiones, (carros chocones).

Postulados de la teora cintica molecular

Primero. Los gases estn compuestos casi en su tota-lidad, por molculas di, tri, tetra atmicas como N 2 ,0 2 , C0 2 ,NH 3 ,C1 2 .

Algunos son monotomos: He, Ne, Ar.

Si. , u.-.i'-: Las molculas se encuentran separadas por espacios intermoleculares amplios, debido al predo-minio de la fuerza de expansin sobre la de cohesin.

El espacio entre molcula y molcula est vaco.

: Como se encuentran en permanente mo-vimiento, las molculas chocan unas contra otras y, sobre todo con las paredes del recipiente donde se encuentran contenidos. Esto sirve para definir lo que es presin.

mayor altura. Es posible verificar lo indicado al compa-rar las ciudades de Quito y Guayaquil.

Se puede pensar en la presin atmosfrica que so-portar un avin que vuela a 10 000 m. de altura en el interior del avin hay despresurizacin para evitar problemas cardacos y otros.

2850 m

Cuarto. Cuando las molculas chocan no hay prdi-rk a, son choques elsticos.

Una molcula puede perder energa en la colisin. Pero gana energa la molcula que recibi el choque; la energa cintica media de ambas molculas es la misma antes y despus del choque.

1 La velocidad de las molculas de un gas au-mentan cuando, tambin aumenta la temperatura, y lgicamente disminuye cuando baja la temperatura.

; : En general la presin se define como:

La fuerza (f) ejercic a en la unidad de rea.

(Fuerza perpendicular a la superficie) (rea donde se distribuye la fuerza)

La presin se expresa en:

3.1.3 MEDICION DE LA PRESIN DE LOS GASES

.-. , S S;J:. . La atmsfera que alcanza unos 500km de altura, est compuesta de diferentes capas: (grfi-co N 1) Litosfera, Troposfera, Ozonsfera, Estratosfera, Messfera, Ionosfera donde se encuentran molculas gaseosas de N2, 0 2 , C0 2 , etc. Las mismas que al tener peso ejercen una presin o peso sobre los seres vivos, sobre los animales y plantas que se encuentran en la superficie de la Tierra. Esta presin se llama presin atmosfrica que tiene un mximo valor a nivel del mar, esto es a cero metros de altura, valor que es igual a (Guayaquil, Esmeral-das) y que va disminuyendo a medida que adquiere

1 ATMSFERA = 760 mmHgo Torr

1 TORR = 1 mm de Hg

1 ATMSFERA = 1.013 bar

1 ATMSFERA = 14.7 libras/pulg2 (PS)

1 ATMSFERA = 1.013 x 10$ Pa (Pascal)

El trmino unidad de rea, es necesario comprender-lo bien, para ello utilizaremos el siguiente ejemplo: consideremos la presin que ejercer sobre un piso suave de linleum en dos o situaciones diferentes, as: En el primer caso, se tiene una seorita que pesa

Bachillerato General Unificado 77

B L O Q U E 3

120 libras, usa zapatos de taco alto que terminan en una superficie de Va de pulgada (0,730m); ejerce una presin de 2 450 lib/pulg. Por lo que hace un orificio sobre la superficie del linleum.

En el segundo caso, cuando la seorita se ha cambia-do de zapatos, ahora usa un taco bajo y grande (se-mejante al taco de un zapato de hombre) es decir, ha aumentado la superficie de rea, la presin es mucho menor, de solamente 20 libras/pulg por lo que ya no perfora el linleum. De all la importancia de determi-nar la unidad de rea.

Linleum

1. Se dispone de un tubo de vidrio de un metro de longitud, aproximadamente. A esto se lo cierra en el un extremo, a manera de un tubo de ensayo, el dimetro puede ser de cualquier dimensin 2cm, 1 cm, 0,5 cm 0,1 cm. Se lo llena con mercurio, lquido de color placeado.

Presin atmosfrica Medida

dla presin atmosfrica

Hg

Linleum

EL BARMETRO

Experimento de Torricelli:

El aparato que mide la presin atmosfrica se llama barmetro, descubierto por Torricelli, quien midi la presin que ejercen los gases de la atmsfera, es decir, la presin atmosfrica mientras realizaba el siguiente experimento:

Barmetro de mercurio

A B Pa = presin atmosfrica h = altura de la columna de Hg

2. Se tapa el extremo libre a fin de que no exista aire en el extremo cerrado, se invierte y se introduce el tubo en una cuba que tambin contiene mercurio. Se observa que el mercurio desciende en el tubo de un metro, quedando espacio vaco o aire en la parte superior. La altura que alcanza el mercurio en el tubo es la medida de la presin atmosfrica y el aparato se llama barmetro. Se explica que la presin atmosfrica equilibra la presin de la co-lumna de mercurio.

Manmetro

atmsfera

100 mm

mercurio

gas

Recipiente que contiene el gas, cuya presin est siendo medida.

78 Fsica y Qumica

BLOQUE 3

3. Las presiones que ejercen los gases se miden en aparatos llamados manmetros, que constan de una ampolla donde est encerrado el gas, se co-necta con un tubo en forma de U en el que se In-troduce mercurio y por el extremo abierto de ste acta la presin atmosfrica. Para medir la presin del gas, se toma en cuenta la altura de la columna (h) y la presin atmosfrica en el lugar que se est trabajando; por ejemplo, si se considera, la ciudad de Guayaquil, la altura de la columna mercurial es 100 mm, la presin que est ejerciendo el gas en-cerrado en la ampolla del manmetro es: 760 torr + 100 mm = 860 torr

Qu es la temperatura crtica?

Es la temperatura por encima de la cual no es posi-ble que un gas se transforme en lquido cuando aumenta la presin. Esto significa que toda sustancia que se encuentre a temperatura mayor que la crtica, solo existir en forma de gas, sin importar la presin.

Qu es presin crtica?

"Es la presin que permite que un gas a temperatura crtica se transforme en lquido".

Qu es volumen crtico?

Es el volumen que ocupa un gas a presin y tem-i

BLOQUE 3

3 . Las presiones que ejercen los gases se miden en aparatos llamados manmetros, que constan de una ampolla donde est encerrado el gas, se co-necta con un tubo en forma de U en el que se in-troduce mercurio y por el extremo abierto de ste acta la presin atmosfrica. Para medir ia presin del gas, se toma en cuenta la altura de la columna (h) y la presin atmosfrica en el lugar que se est trabajando; por ejemplo, si se considera, la ciudad de Guayaquil, la altura de la columna mercurial es 100 mm, la presin que est ejerciendo el gas en-cerrado en la ampolla del manmetro es: 760 torr + lOOmm = 860 torr

Qu es la temperatura crtica?

Es la temperatura por encima de la cual no es posi-ble que un gas se transforme en lquido cuando aumenta la presin. Esto significa que toda sustancia que se encuentre a temperatura mayor que la crtica, solo existir en forma de gas, sin importar la presin.

Qu es presin crtica?

"Es la presin que permite que un gas a temperatura crtica se transforme en lquido".

Qu es volumen crtico?

peratura crticas. Lo dicho anteriormente se entiende mejor cuando sabemos que es posible que cambie el estado gaseoso por el estado lquido, lo que significa que las molculas se junten, este cambio de estado f-sico se produce por dos razones:

a. Disminucin de temperatura. b. Un aumento de la presin.

Pero el aumento de la presin se realiza siempre y cuando el gas se encuentre por debajo de su tempe-ratura crtica.

Conversin de unidades

1. A cuntos milmetros equivalen 5 atmsferas en condiciones normales?

c , v 760 mm Hg _ _ -> s-c ^y 3.0UU mm rig

2. Cuntas atmsferas estn contenidas en 3 800 mm Hg?

3 800 mm-Hg 1 at 760 mro+ig =

3 . Convertir 4 at a. PSI, b. mm Hg, c. a bar, d. a Pa

a. 4ata psi 4at 1 4 , 7 p s i = 1 at

b. 4 at a mm Hg 4 at 760mmHg = 3 4 Q 0 m m H g

c. 4 at a bar -* 4 at 1 ' 0 1 3 b a r = 1

j a * n a * A 0 1 3 b a r x 1 0 5 P a . , . 3 d. 4 at a Pa -*> 4 ai - ^zp =

CUESTIONARIO PARA DEMOSTRAR LO APRENDIDO Conteste en su cuaderno de deberes y entregue alprofesor(a) para su calificacin.

1. Dibuje un esquema que demuestre los diferentes cambios de estado fsico de la materia y defina: fu-sin, evaporacin, solidificacin, condensacin.

2. Dibuje un esquema en el que demuestre los esta-dos fsicos de la materia que existen hoy en da.

tre ellos teniendo en cuenta la forma, el volumen, la densidad.

4. Realice un grfico sobre las capas atmosfri-cas e indique los porcentajes de los gases ms abundantes.

Dibuje un esquema con la intervencin de las dos fuerzas que operan sobre las molculas de los es-tados gaseoso y slido. Establezca diferencias en-

5. Dibuje y explique el experimento del aparato que permiti medir la presin atmosfrica.

Bachillerato General Unificado 79

B L O Q U E 3

3.1.4 RELACION ENTRE LA PRESIN, EL NMERO DE

MOLCULAS Y TEMPERATURA DE UN GAS

3.1.4.1 TIPOS DE TEMPERATURAS. EL CERO

ABSOLUTO La temperatura es la medida de la intensidad de calor o la energa que tiene un cuerpo. Para medir la tempe-ratura se hace uso de algunas propiedades que varan con este factor fsico. Por ejemplo, la dilatacin de l-quidos como el alcohol y el mercurio, lo cual ocurre en el tubo capilar de un termmetro que lleva una escala graduada.

Existen varias escalas de temperatura como: Cent-grada, Kelvin, Fahrenheit, y Rankine. En la escala Centgrada se marcan puntos de referencia, como la congelacin del agua al que se le asigna el valor de cero grados, y el punto de ebullicin del agua que se da el valor de cien grados.

Existen temperaturas que estn bajo cero. En la escala Kelvin, el cero es la temperatura ms baja y correspon-de a -273 C que se llama cero absoluto, y es la m-nima temperatura que puede medir un termmetro, en el cual los gases pasan a estado lquido, no existe movimiento de las molculas por lo que la energa ci-ntica y la presin son nulas con un valor igual a cero, el volumen no existe.

Relacin de las diferentes escalas, a travs de frmulas:

Frmulas para transformar grados de temperatura de una escala a otra

1. Transformar K a C Ejemplo: Convertir 100 CaK

2. Transformar C a 6 K Ejemplo: Convertir 373 KaC

3. Transformar F a C Ejemplo: Convertir 212 F a C

4. Transformar C a F Ejemplo: Convertir 100 CaF

K = C + 273

K= 100 + 273 K = 373

C = K-273

C = 373 - 273 C = 100

C = zr (F - 32) 9

C = -jj-(212-32)

C = --;H 180) 9 o C = 900 = 1 0

(F + 32)

F = -^(100 + 32)

F = ^ + 32

F = 180 + 32=

Ambas escalas, Centgrada y Kelvin, tienen unidades del mismo tamao; es decir, un grado kelvin tiene el mismo tamao que un grado centgrado. Las escalas de temperatura se relacionan de la siguiente forma:

Punto de ebullicin del agua... 100

Punto de congelacin del agua... 0

Cero absoluto -273

373

273

2'2

450

72

v?7

V J l

Ejercicios: 1. Convertir 50 C a F

9_ 5

9_ 5

(C + 32)

50 + 32

+32

F =

2. Convertir 160 CaF

F = ^ -(160 + 32)

80 ^ i s i c a y Q u ' n

BLOQUE 3

1 4 4 0 + 3 2

F = 288 + 3 2

F = 320

Ce^v~"t^ -

op = - J - (-50 + 32)

of = 4 5 0 + 32

o F = -90 + 32

o F = -SS

4 , Convertir 2 7 3 CaF

F = - | - (273+ 32)

F = 2 4 5 7 + 32 5 F = 491,4 + 32

F = m , :

5 . FaC

C = - | - (-90 - 32)

o C = --(-122)

C = 610 9

c = 61 -

3.1.4.2 NUMERO DE AVOGADRO. MASA ATMICA Y MOLECULAR. MOL O MOLE

Es conveniente recordar algunos conceptos como:

Masa atmica (A). (Antiguo peso atmico)

A = Nmero de protones y neutrones

Su unidad esJa-UMA = Unidad de-masa atmica

UMA=1,6603X10 2 4 g

Ejemplos de masas atm

H=1UMA; 0= 16UMA; Ca= 40 UMA; Na= 23 UMA.

Masa molecular (Ma) (antiguo peso molecular)

Los valores se indican tambin en UMA, as:

H 20 masa molecular = 2 + 16 = 18 urna

HCi masa molecular = 1 + 35, 5 = 36,6 urna

H 2 S0 4 masa molecular = 2 + 32 + 64 = 98 urna

: Es la misma masa molecular pero ex-presada en gramos/mol as: Continapg. 82

CUESTIONARIO PARA DEMOSTRAR LO APRENDIDO

Conteste en su cuaderno

1. Convertir:

a. 2,7 at en mm Hg b. 6,3 Pa en torr

2 . Hallar la equivalencia de 8 atmsferas en:

a. mm Hg b. psi c. bar d. Pa

4. Transformar:

a. -5CaK b. 200 C a K c .-117CaK

d. 60 C a F e. 300 F a C f. 300F a K

g. -273 C a K h. 250KaC i. 100CaK

3. Convertir 3,5 atmsferas en mm Hg y 4,5 Pa en Las respuestas encontrar al ftnal del texto. mm Hg

Bachillerato General Unificado

La mol de H 2 0 es igual a 18 g/mol

La mol de H Cl es igual a 36,5 g/mol

La mol de H 2S0 4 es igual a 98 g/mol

En resumen se tiene:

iQi

-AU; (gramos)

H 20 18 urna 18 g/mol HCI 36, 5 urna 36,5 g/mol H 2S0 4 98 urna 98 g/mol

3.1.4.3 NMERO DE AVOGADRO

N = 6,02 X 10 UNIDADES

1 mol o tomo gramo de O (16 g) contiene 6, 02 x 10 2 3 tomos de O.

1 mol de molculas de 0 2 (32 g) contiene 6, 02 x 10 2 3 molculas de 0 2 o tambin 2 (6,02 x 1023) to-mos de O .

1 mol o tomo gramo de C (12 g) contiene 6,02 x 10 2 3 tomos de C.

1 mol Ca Cl 2 (111 g) contiene 2 (6,02 x 10 2 3 iones de Cl") y 6,02 x 10 2 3 iones de Ca+2

1 mol de H Cl (36,5 g) contiene 6,02 x 10 2 3 iones H + y 6,02x 10 2 3 iones Cl".

Ntese que en el caso del oxgeno, el ejemplo toma tres aspectos:

a) Como tomo; b) Como tomo en la molcula (multiplicar por 2); c) Como molcula.

M fcjs Se ha establecido una unidad mucho ms grande que el tomo o la molcula que se llama mol o mole y que es:

La cantidad en gramos de una sustancia que contiene 6,02 x 10 2 3 partculas o unidades de

esa sustancia.

De manera que se puede hallar 1 mol de tomos de hi-drgeno (H); o 1 mol de molculas de hidrgeno (H2); de 1 mol de electrones, o 1 mol de manzanas, de 1 mol de pelotas.

De acuerdo al nmero de Avogrado, se tiene:

1 MOL contiene 6, 02 x 10 2 3 unidades

Veamos los siguientes ejemplos que aclaran lo dicho:

1 mol o tomo - gramo de H (1,008 g) contiene 6,02 x 10 2 3 tomos de H.

1 mol de molculas de H 2 (2,032 g) contiene 6,02 x 10 2 3 molculas de H 2 o tambin 2 (6,02 x 1023) to-mos de H.

82 Fsica y Qumica

Avogadro encontr que una mol de molculas de los gases ocupan el volumen de 22,4 litros y en l exista el mismo nmero de molculas, pero no de tomos. Este nmero es 6,02 x 10 2 3 molculas. De manera que:

r

H 2

2,01 g.

1 mol de

0 2 32,0 g

22,4 litros

C O 2

44,0 c

6,002 x 10 2 3 6,002 x 10 ! i 6,002 x 10 2 3 molculas de H 2 molculas de 0 2 molculas de C 0 2

Ejercicios: Resolver mediante factor y regla de tres

1. Cuntas moles de agua existen en 180 gramos del lquido vital?

masas atmicas H = 1,0 urna (g) O = 16 urna (g)

masa molecular H = 1x2 = 2 urna (g) ( H 2 0 ) O = 16x1 = 16jj_ma(g) A

Relacin mediante factor: 180 o = 0,50 libras x 4 5 , 3 , ' 6 9 = 226,8 q 18^ 1 libra a

Por regla de tres: 18 g 1 mol 180g X =]?? Q!%>

Calcular cuntos gramos de caliza (CaC03) estn contenidos en 5 moles.

Masa molecular Ca = 40x1 = 40 urna (g) CaC0 3 C = 12x1 = 12 urna (g)

S P ^ 5^--^o. 100uma(g)

Mediante factor: 5 moles x 100 g 1 mol = 500 g

Por regla de tres: 100 g 1 mol X 5 moles = 500 g

Calcular cuntas molculas estn contenidas en 50 gramos de S0 2 . 3 S b 6i t> s0z *

Masa molecular S = 32x 1 = 32 uma S0 2 0 = 16x2 = 32 uma

Transformar gramos a moles. 1 m o l 226,8 g x ' ' = 4,06 moles ' 55,85

Es decir que: En 30,5 g de Fe hay 0,55 moles. En 0,50 libras de Fe hay 4,06 moles.

5 Cuntos tomos de hidrgeno hay en 0,90 g de hidrgeno? Peso atmico del H = 1,008 uma 1 mol de H = 1,008 g Buscar el nmero de moles que hay en 0,90 g. Buscar el nmero de H.

1 mol 0,89 moles

64 uma

tediante factor: 50 g x 6,02 x 10 / 3 molculas 6 4 ^

= 4/7 jclO 8 molculas

Por regla de tres: En 64 g existen 6,02 x 10 2 3 molculas En50g X = i

* * * * w -

* 0,89 mores x 6,02 x 10 2 3 tomos 1 mol

= 5,3 x 10 2 3 tomos

Regla de tres: 1,008 g 6,02 x 10 2 3 tomos 0,90 g X

= 5,3 x 10 tomos

e, Cul es el peso en gramos de un tomo de hierro? Masa atmica del Fe = 55,85 g(mol)

i tomo x - 5 5 ' f 3 5 , g - = 9,: > 6,02 x 10 tomos

o tambin por regia de tres:

-23

Calcular el nmero de moles de hierro que hay en: a. 30,5 gy b. 0,50 libras de hierro. , . masa atmica del Fe = 55,85 uma 1 v * o l - ^ 55 fc" 6 ,02x10 tomos pesan 55,85 g

x 3o,5g 1 tomo pesar X 1 mol de Fe pesa 55,85'g. .

a. 55,85 g 1 mpl 30,5 g X . ,

o f

Puede calcularse tambin utilizando el factor:

30,5 g x J? 1 = 0,55 moles 55,85 of

h. 1 libra = 453,6 g F = - 4 5 ^ 9 -1 libra

Convertir 0,50 libras a gramos.

_ 1 t x 55,85 g _ -6,02 x 10 2 3i:

7.) Cul es el equivalente de una unidad de masa atmica (uma) y cul es el peso en gramos de un tomo de calcio?

s. Por definicin de uma, sta corresponde a la do-ceava parte del peso de un tomo de carbono, masa atmica del carbono = 12,00 g. Calcular la masa atmica del carbono para lue-go tomar la doceava parte.

Bachillerato General Unificado 83

B L O Q U E 3

1 torro x \ ' ? 3 , g = 1,99x10"2 3 o 6,02 x 10 atojaos

1 uma x 1 , 9 9 x 1 2 3 ^ = 0,16x10" 2 3 1 2 0

fc>. Masa de un tomo de calcio, masa atmica de Ca = 40,08 g

uma

l j o r f o x 4 ^ 3 8 g ~p = 6 6,02 x 1023tpms ,66x10" 2 3 g

8. En una mole de sacarosa (C, 2 H 2 2 O n ) , cuntos to-mos hay?

12 x (6,02 x 1023) tomos de C = 72,24 x 10 2 3 tm. 22 x (6,02 x 1023) tomos de H = 132,44 x 10 2 3 tm. 11 x (6,02 x 1023) tomos de O = 66,22 x 10 2 3 tm.

5, Se tiene 500 g de azufre, calcular: v El nmero de moles de S. b. El nmero de molculas de S. c. El nmero de tomos de S.

Hay que diferenciar entre mol y molcula: la pri-mera contiene 6,02 x 10 2 3 tomos; la segunda es la unin de 2 o ms tomos. En el caso del azufre la molcula se forma con 8 tomos de azufre, es decir S8.

a. Nmero de moles de azufre, masa atmica del S = 32,06 g 1 mol = 8 x 32,06 g = 256,5 g (S8)

500,0^ x J ra"1 = x 256,50

fe. Nmero de molculas de azufre. 1 mol contiene 6,02 x 10 2 3 molculas.

1,95 iriss x 6,02x 10 2 3 molculas 1 raof

= 11 ,74x10 2 3 molculas

c. Nmero de tomos. -.23

Es decir que en 500,0 gramos de azufre hay: 1,95 moles de azufre 1 1,74 x 10 2 3 molculas de azufre 93,92 x 10 2 3 tomos de azufre

10. De acuerdo con la siguiente ecuacin: 2NaCI + H 2S0 4 ** Na,S0 4 + 2HCI Si se han empleado 400 g de cido, se pregunta:

a. Cuntas moles de HCI se obtendrn?

b. Cuntos gramos de HCI se obtendrn?

a. 297,9 e x = 8,16 moles HCI * 36,5 0

b. 400 g x 7 3 9 = z 98 q

11. En la siguiente xidoreduccin: 3Cu + 8HN03 3Cu(N03), + 2NO + 4H 20

Calcular: a, Cuntas moles de NO se producirn con 2,5

moles de metal?

2,5 mol de Cu x 2 m o l d e N O = 1,68 moles da NO 3 mol de Cu

b. Qu cantidad de cobre se requiere para prepa-rar 200 g de nitrato cprico?

200 g x 1 9 0 , 5 9 = 67,76 g de Cu 562,5 g

12. En 20 g de CaC0 3, cuntas moles existen?

1 mol 20 g x 100g = 0,2 moles

3, De acuerdo con la ecuacin: 2O s + 5 CO 2 + 5C0 2 Si se dispone de 20 g de l 2 0 5 y 22 g de CO, qu cantidad de yodo se obtendr?

x 11,74x10" = 93,92 x 10 2 3tomos 20g l 2 O 5 x 254 g 334 g I A

34 F ' s c a Y Qumica

3.1.5 LEYES DE LOS GASES

BLOQUE 3

r Boy le

1 relaciona !

P y V

I V P

1 _ 2 V ~ P

Charles/ GavLussac

relaciona relaciona

VyT I

- ^

i

P.V.T -9 1

\ Ley combinada

p 2 u 2

h-"~

T2

P y T i suma de presiones

UF = Vo{1 +coT)

Va Vdb~

Vb \fda

Ecuac n General P .V = n RT

Las principales leyes que rigen el estado gaseoso son:

a. Ley de Boyle vlariotte

d e. I

es-

Ley de Jacques Charles Ley de Gay Lussac Ley Combinada - Ecuacin general Hiptesis y nmero de Avogrado Ley de Dalton Ley de Graham

En las leyes de los gases intervienen 3 variables impor-tantes que son: presin, volumen y temperatura. Por tanto, se usarn las siguientes unidades:

Prasin 1 atm = 760 torr 760 mm Hg 1 atm = 14,7 lb/pulg2 (PSI) 1 atm = 1,033 g/cm2 1 atm = 1,103 x 106 dinas/cm2

J 815 1

C = grados Centgrados K = grados Kelvin o temperatura absoluta = C + 273 F = grados Fahrenheit = 1,8 C + 32

Volumen

11 = 10" 3m 3 = 1 dm 3 = 1 000 cm 3 1 m 3 = 1 000 I 1 gal =3,781 1 pie3 = 28,32 1

3.1.5.1 LEY DE BOYLE-MARIOTTE

so = igual termo = temperatura

"Cuando la temperatura perros inte, los volmenes de los gases son inversamente pre>-

Esto significa que s;- la presin aumenta, el volumen se reduce en la misma proporcin. Esta relacin matemtica se expresa as:

V = constante x y

VP = constante

El estado inicial y el estado final de cualquier gas se puede expresar mediante la ecuacin:

P, x V, P 2 x V 2 o tambin v 2 Pl

P, = Presin inicial P2 = Presin final V, =Volumen inicial V 2 = Volumen final

Bachillerato General Unificado 85

BLOQUE 3

Demostracin grfica:

P, = 1 atm P2 = 2 atm P3 = 4 atm P4 = 8 atm

V " '

P,xV, 1