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FÍSICA Y QUÍMICA 4.º ESO Enrique Andrés del Río Francisco Larrondo Almeda Francisco Martínez Salmerón Sergi Bolea Escrich
Coordinador y asesor didáctico Enrique Andrés del Río Revisores técnicos Diego Molinera Galán Daniel Esteban Sanzol Revisor pedagógico Ángel López Urbaneja
MADRID · BUENOS AIRES · CARACAS · GUATEMALA · LISBOA · MÉXICO NUEVA YORK · PANAMÁ · SAN JUAN · BOGOTÁ · SÃO PAULO · AUCKLAND HAMBURGO · LONDRES · MILÁN · MONTREAL · NUEVA DELHI · PARÍS SAN FRANCISCO · SÍDNEY · SINGAPUR · SAINT LOUIS · TOKIO · TORONTO
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TABLA DE CONTENIDOS
Unidad 1
– – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – 6 1. El método científico................................................................................................................................................... 8 La actividad científica 2. Las magnitudes............................................................................................................................................................ 10 3. El número en ciencia................................................................................................................................................. 16 4. Tablas y gráficas.......................................................................................................................................................... 20 5. Las TIC en el ámbito científico............................................................................................................................. 24 6. Proyecto de investigación...................................................................................................................................... 26 Mapa conceptual.................................................................................................................................................................. 28 Mira a tu alrededor............................................................................................................................................................. 28 Práctica de laboratorio..................................................................................................................................................... 29 Actividades finales.............................................................................................................................................................. 30 Pon en marcha tus habilidades..................................................................................................................................... 32
Unidad 2
– – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – 34 1. El modelo de átomo................................................................................................................................................... 36 Átomos y enlaces 2. El sistema periódico.................................................................................................................................................. 40 3. El enlace químico........................................................................................................................................................ 44 4. Química del carbono................................................................................................................................................. 56 5. Compuestos de carbono......................................................................................................................................... 58 6. Grupos funcionales.................................................................................................................................................... 60 Mapa conceptual.................................................................................................................................................................. 64 Mira a tu alrededor............................................................................................................................................................. 64 Práctica de laboratorio..................................................................................................................................................... 65 Actividades finales.............................................................................................................................................................. 66 Pon en marcha tus habilidades..................................................................................................................................... 68
Unidad 3
– – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – 70 1. La reacción química................................................................................................................................................... 72 Reactividad química 2. Leyes ponderales........................................................................................................................................................ 74 3. El mol................................................................................................................................................................................ 76 4. Termoquímica............................................................................................................................................................... 82 5. Cinética química......................................................................................................................................................... 86 6. Reacciones ácido-base............................................................................................................................................. 90 7. Química en la práctica.............................................................................................................................................. 92 8. La química en nuestro entorno............................................................................................................................. 96 Mapa conceptual.................................................................................................................................................................. 100 Mira a tu alrededor............................................................................................................................................................. 100 Práctica de laboratorio..................................................................................................................................................... 101 Actividades finales.............................................................................................................................................................. 102 Pon en marcha tus habilidades..................................................................................................................................... 104
Unidad 4
– – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – 106 1. Las magnitudes vectoriales.................................................................................................................................... 108 El movimiento. 2. Las magnitudes del movimiento.......................................................................................................................... 110 cinemática y dinámica 3. Principales tipos de movimiento.......................................................................................................................... 118 4. Las fuerzas y sus efectos sobre el movimiento............................................................................................. 128 Mapa conceptual.................................................................................................................................................................. 136 Mira a tu alrededor............................................................................................................................................................. 136 Práctica de laboratorio..................................................................................................................................................... 137 Actividades finales.............................................................................................................................................................. 138 Pon en marcha tus habilidades..................................................................................................................................... 140
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Proyecto de investigación
¿Centri-qué?............................................................................................................................................................................ 142
Unidad 5
– – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – 144 1. Una ley física fascinante........................................................................................................................................... 146 Dinámica cotidiana: 2. La ley de la gravitación universal......................................................................................................................... 148 gravitación y presión 3. ¿Para qué sirven los satélites artificiales?........................................................................................................ 158 4. Presión............................................................................................................................................................................. 160 5. El principio fundamental de la hidrostática.................................................................................................... 162 6. El principio de Arquímedes.................................................................................................................................... 165 7. El principio de Pascal................................................................................................................................................ 168 8. La presión atmosférica............................................................................................................................................. 170 Mapa conceptual.................................................................................................................................................................. 174 Mira a tu alrededor............................................................................................................................................................. 174 Práctica de laboratorio..................................................................................................................................................... 175 Actividades finales.............................................................................................................................................................. 176 Pon en marcha tus habilidades..................................................................................................................................... 178
Unidad 6
– – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – 180 1. Energía............................................................................................................................................................................ 182 Energía 2. Tipos de energía......................................................................................................................................................... 184 3. Trabajo............................................................................................................................................................................. 188 4. Principio de conservación de la energía.......................................................................................................... 192 5. Potencia.......................................................................................................................................................................... 196 6. Calor y energía............................................................................................................................................................ 198 7. Máquinas térmicas..................................................................................................................................................... 206 Mapa conceptual.................................................................................................................................................................. 210 Mira a tu alrededor............................................................................................................................................................. 210 Práctica de laboratorio..................................................................................................................................................... 211 Actividades finales.............................................................................................................................................................. 212 Pon en marcha tus habilidades..................................................................................................................................... 214
Anexo
Formulación inorgánica...................................................................................................................................................... 216
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Presentación de la unidad
CÓMO SE UTILIZA ESTE LIBRO
5
¿Es posible que una botella llena de agua tenga un agujero pero que el agua no salga por él? ¿Es posible diseñar un mecanismo para que el agua solo salga cuando nosotros decidamos? Para resolver estas cuestiones necesitas una botella de plástico de agua mineral, una pajita y agua. 1. Con ayuda de un punzón, haz un agujero en el tapón de la botella para que entre por él la pajita. Pero no dejes ninguna holgura entre la pajita y el agujero. 2. Con el mismo punzón, haz un agujero en el lateral de la botella, de tal modo que, al meter la pajita dentro, su extremo inferior pueda quedar por debajo de este agujero.
En primer lugar, estudiarás la gravitación, que es la interacción que provoca la caída de los cuerpos y el movimiento de los planetas y de los satélites artificiales, gracias a los cuales disponemos, por ejemplo, de telefonía móvil, previsiones meteorológicas o conocimiento sobre el origen del Universo. La segunda parte de la unidad trata del concepto de presión, que está ligado a las fuerzas y cuya utilidad para describir los efectos de las fuerzas y, en especial, el comportamiento de líquidos y gases es enorme. La presión es tan importante que cuando aprendas más sobre ella podrás comprender la flotabilidad de los cuerpos, el funcionamiento de los frenos de un coche, la necesidad de afilar los cuchillos o el tiempo meteorológico. Estudiar conjuntamente gravitación y presión te permitirá aplicar los conocimientos sobre fuerzas de unidades anteriores y comprender mejor lo que cada día ves que sucede a tu alrededor. Como dijo Stephen Hawking (1942): «Solo somos una raza avanzada de monos en un planeta menor de una estrella promedio. Pero podemos entender el Universo. Eso nos hace muy especiales».
Un texto introductorio te presenta cada unidad y la acerca a tu entorno.
En el sumario tienes un avance de los contenidos.
VOCABULARIO La cinemática es la parte de la física que estudia el movimiento sin tener en cuenta las causas que lo originan.
El estudio de la física se inicia con el estudio del movimiento. El movimiento está presente en todos los actos de nuestra vida, pero ¿qué es el movimiento?
PIENSA Y RAZONA
1 2 3
4 5 6 7 8
Una ley física fascinante
4. Quita el tapón del agujero lateral y observa lo que pasa. ¿Sale el agua por el agujero?
La Ley de la gravitación universal ¿Para qué sirven los satélites artificiales?
5. Ahora baja la pajita para que su extremo quede por debajo del agujero lateral. ¿Sale ahora el agua?
Presión El principio fundamental de la hidrostática
6. A continuación súbete a una silla. Llena la botella de agua y quita la pajita. Por el agujero lateral saldrá agua. Pon mucha atención y suelta la botella. Conforme la botella esté cayendo observa si sale agua por el agujero lateral. Será, solo décimas de segundo, pero, si estás atento, verás perfectamente lo que sucede.
El principio de Arquímedes El principio de Pascal La presión atmosférica
El número de ejes necesarios para definir el movimiento dependerá de las características del propio movimiento. Al número de ejes necesario se lo denomina dimensiones del movimiento. Si el movimiento realiza una curva, por ejemplo la pelota lanzada por un jugador de golf, serán necesarias dos dimensiones.
Si el movimiento es en línea recta, por ejemplo un corredor en línea de meta, bastará con una sola dimensión.
a) Imagina que eres un astronauta y que estás en la Luna. ¿Qué movimientos de la Tierra observarías? b) Ahora sitúate en uno de esos ascensores transparentes. Mientras estás bajando ves como otro ascensor sube. ¿Seguro? ¿Cómo podemos asegurarnos de que el otro ascensor está subiendo y no está parado?
FÍSICA 2.0 Visita esta página: goo.gl/xWRK1L En ella podrás observar la diferencia de un mismo movimiento en función del sistema de referencia que se utilice.
Si el movimiento no se puede representar en una única superficie, por ejemplo el vuelo de un pájaro, hay que utilizar las tres dimensiones del espacio.
EL LABORATORIO EN EL AULA Sistemas de referencia
Con estos dos ejemplos habrás observado cómo es de relativo el movimiento y cuán necesario es fijar un punto de referencia que suponemos en reposo.
4.1. Las leyes de Newton
Las leyes de la dinámica fueron compiladas y organizadas por el físico y matemático inglés Isaac Newton a finales del siglo xviii. Por eso son conocidas como leyes de Newton. Hasta aquel momento se asociaba el movimiento a la presencia de fuerzas. El movimiento existía porque había una fuerza que lo mantenía. Si empujo un carro, este se mueve; si dejo de empujarlo, se detiene.
La tercera ley de Newton, o ley de acción y reacción, nos enseña que en las interacciones entre dos cuerpos las fuerzas aparecen de dos en dos, de manera que a toda fuerza «acción» se opone otra igual en módulo y dirección, pero de sentido contrario, «reacción». F1,2 = −F2,1
El movimiento es la variación de la posición respecto a un punto que consideramos fijo.
FC: fuerza cohete FG: fuerza gases
2.1. El sistema de referencia y la posición En la vida cotidiana, en los juegos, etc., existen distintas maneras de expresar dónde están situados los objetos. Es así por ejemplo en el ajedrez, en las carreteras o en las calles de las ciudades.
Aunque las fuerzas sean iguales y de sentidos contrarios, no se anulan, pues actúan sobre cuerpos diferentes.
Vamos intentar entender las leyes de la dinámica con ayuda de este cohete.
El sistema de referencia (SR) es el conjunto formado por un origen de coordenadas y unos ejes que permiten definir la posición de un objeto mediante las coordenadas que ocupa respecto del origen.
La primera ley de Newton, también conocida como ley de la inercia, nos dice que si sobre un cuerpo no actúa ninguna fuerza o si la fuerza resultante es cero, el cuerpo se mantendrá en reposo o seguirá con movimiento rectilíneo uniforme ( v = cte ).
Por tanto, la posición es un vector y su unidad en el SI es el metro (m).
Acción: fuerza que ejerce el cohete sobre los gases.
EXPERIMENTA
La segunda ley de Newton, o principio fundamental de la dinámica, nos indica que la existencia de una fuerza resultante distinta de cero produce en un cuerpo un cambio en su movimiento, una aceleración, que es direc tamente proporcional a la fuerza que la produce: F = m · a , siendo la masa la constante de proporcionalidad.
ACTIVIDADES
110
El primer número representa la distancia al origen medida en el eje de las x.
6 5 A(3,4) r A
2
Planteamientos que van a despertar tu curiosidad y te motivarán hacia el aprendizaje.
28. Si el motor de nuestro cohete proporciona una fuerza de 21 000 N y la masa del cohete es de 3 toneladas, ¿qué aceleración ha sufrido el cohete?
ACTIVIDADES 30. Si la masa de gas propulsada por el cohete ha sido de 25 kg, ¿qué aceleración han acusado los gases? Toma los datos del ejercicio 28.
UNIDAD 4
131
EXPERIMENTA
Vector de posición
0 (0,0) 2
3
4
5
6
7
8
¿Centri-qué?
La aceleración tangencial mide la variación de la celeridad y posee dirección tangente a la trayectoria.
La aceleración centrípeta mide la variación en la dirección de la velocidad y posee un sentido perpendicular a la trayectoria. v2 , la segunda ley Recordando que ac = R de Newton nos lleva a concluir que cualquier fuerza que actúe como fuerza centrípeta v2 . debe cumplir: Fc = m · R
A continuación te planteamos un conjunto de actividades para que aprendas todo lo necesario sobre la fuerza principal del movimiento circular: la fuerza centrípeta.
ACTIVIDADES 1. Sobre el vagón de la montaña rusa actúan en cualquier punto la fuerza de rozamiento, la fuerza normal y el peso. ¿Cuáles de estas fuerzas actúan como fuerzas centrípetas en los puntos A, B y C del sistema de la figura?
2. El yoyó de la figura se encuentra en el punto que llamamos D. Los puntos A, B y C se definen como en la imagen anterior, es decir, punto A: el punto superior de la trayectoria, punto B: el punto más a la derecha y punto C: el punto más a la izquierda. a ) La siguiente expresión en el punto A, ¿es verdadera o falsa? v2 m· = m · g +T R ¿Y en los puntos B y C? b ) Si la velocidad del cuerpo es constante. ¿En qué punto (A, B, C o D) será más probable que se rompa la cuerda del yoyó? 3. ¿Qué trayectoria seguirían los cuerpos de las dos primeras situaciones representadas y el coche de esta tercera imagen si se rompiera la estructura del rizo, se rompiera la cuerda del yoyó o la carretera estuviera helada, respectivamente? ¿Es posible que exista una trayectoria circular si no existe ninguna fuerza que actúe como fuerza centrípeta?
142
PROYECTO DE INVESTIGACIÓN
L Tapón de goma 4. Construye el sistema experimental de la figura. Cuelga una m pesa de masa conocida y mide la masa del tapón. Con la mano, haz girar el sistema, tratando de que el giro se produzca con velocidad constante. a ) Dibuja las fuerzas que actúan sobre el tapón y sobre la pesa. Tubo de vidrio Clip b ) ¿Entre qué fuerzas existe equilibrio si el clip está fijo? c ) Con ayuda de un compañero, cronometra el tiempo que tarda el tapón en dar diez vueltas. Al terminar, pide a tu compañePesa ro que coloque un dedo sobre la parte superior del tubo de vidrio para detener el sistema y que podáis medir la longitud del hilo. Repite esta medida cinco veces y toma la media de tus resultados como valor real del tiempo. d ) Aplica las expresiones del MCU y de la fuerza centrípeta para completar la siguiente tabla:
Radio trayectoria (R)
A C
Longitud trayectoria L=2·π·R
Tiempo una vuelta T T = 10 10
Velocidad tapón L v= T
Aceleración centrípeta v2 ac = R
Fuerza centrípeta v2 R
PROYECTO DE INVESTIGACIÓN
Tiempo 10 vueltas T10 (s)
Fc = m ·
Peso de la pesa P=m·g
B
e ) ¿Se cumple el equilibrio de fuerzas que has definido en el apartado b)? f ) Aumenta la velocidad de giro del tapón. ¿El clip sube o baja? Explica este comportamiento empleando las ecuaciones correspondientes.
A C B D
R = 100 m
N Fc Fr P F r
x
Experimentos diseñados para realizar en el aula, que te enseñarán a resolver en la práctica lo que has aprendido.
ACTIVIDADES
Siempre que un cuerpo se mueve con un movimiento circular, posee aceleración. Esta aceleración puede tener las componentes tangencial y normal o centrípeta, o solo esta última componente normal o centrípeta.
9
LABORATORIO EN EL AULA
PROYECTO DE INVESTIGACIÓN: ¿Centri-qué?
Demostraciones sencillas de pocos minutos que puedes llevar a cabo con material casero y están acompañadas de actividades.
El segundo número representa la distancia al origen medida en el eje de las y.
B(7,2)
r B
1
Para situar un lugar en la superficie terrestre utilizamos las coordenadas geográficas, longitud y latitud. En esta página podrás encontrar más información al respecto: goo.gl/LgVBXf y un simulador en: goo.gl/HgVTv9 Investiga cuál es la situación, en coordenadas geográficas, de tu pueblo o ciudad.
UNIDAD 4
PIENSA Y RAZONA
UNIDAD 4
y
¿SABÍAS QUE...?
UNIDAD 4
3. Vamos a comprobar la tercera ley de Newton con dos imanes. Sitúa dos imanes sobre dos corchos para que puedan flotar. Puede ser conveniente que sitúes un contrapeso en la parte inferior del corcho. A continuación llena la pila de tu casa con agua e introduce en ella los dos imanes. Encara primero los dos polos iguales y después los dos diferentes. Observa qué ocurre en cada caso. Toma fotos y prepara una presentación donde expliques y justifiques todo el proceso.
ACTIVIDADES
29. Busca información sobre la vida y la obra de Isaac Newton. Con la información recogida, confecciona un mural que pueda ser colgado en el aula.
La posición de un objeto móvil se expresa mediante las coordenadas que ocupa en este sistema.
1
Comprueba la tercera ley de Newton
Cuando se encienden los motores, estos ejercen una fuerza y el cohete empieza a moverse con una aceleración a .
Si el motor ha estado en funcionamiento 10 segundos, ¿qué velocidad habrá alcanzado el cohete en ese tiempo?
De entre todos los sistemas de referencia posibles, nosotros vamos a elegir el sistema de referencia cartesiano, formado por uno, dos o tres ejes perpendiculares entre sí, a los que se denomina eje x, eje y y eje z.
3
2. Investiga qué sistema de referencia se utiliza en el juego de la guerra de barcos y en las cartas de navegación.
movimiento sigue su MRU.
Reacción: fuerza que ejercen los gases sobre el cohete.
1. En grupos de tres alumnos, diseñad un sistema de referencia que permita definir la posición de cualquier alumno en el instituto. Para comprobar la eficiencia de vuestro sistema, podéis esconder diversos objetos en lugares que solo conozca un miembro del grupo, de manera que pueda dar la situación a sus compañeros y verificar cuál de los métodos es el más efectivo. A continuación haced una puesta en común y discutid cuál de las propuestas sería más adecuada. El compañero que esconde el objeto puede grabaros y así hacer un montaje de vídeo de todo el proceso.
4
Podemos observar que la primera ley de Newton es en realidad un caso particular de la segunda.Cuando la fuerza resultante 0 F = = 0 . Y, por tanto, el es cero, a = m m
Como no actúa ninguna fuerza, y el cohete está parado, seguirá parado.
130
Sumario
Antes de empezar te proponemos un reto: una actividad motivadora y experimental sobre los nuevos contenidos.
2 Las magnitudes del movimiento
Estudiar será divertido con este libro. La teoría es clara y concisa, y el texto está acompañado de imágenes e infografías que te van a ayudar a entenderlo todo de forma fácil y muy visual.
FÍSICA 2.0
3. Tapa el agujero lateral con el dedo o con un poco de plastilina. Llena la botella de agua, pon el tapón en la botella y mete la pajita, dejando su extremo inferior por encima del agujero lateral.
El estudio de la física te permitirá comprender mejor el mundo que te rodea. Y para cumplir con ese objetivo, esta unidad puede ser una gran herramienta.
Desarrollo de contenidos
Puedes practicar con las fuerzas y las leyes de Newton en esta página: goo.gl/bL2Z8m
Te proponemos un reto
DINÁMICA COTIDIANA: GRAVITACIÓN Y PRESIÓN
El proyecto de investigación te permitirá profundizar y realizar tareas como un auténtico científico.
5. La fuerza centrípeta te ayuda a comprender una gran cantidad de procesos naturales y sistemas tecnológicos. ¿Existe alguna fuerza en dirección centrípeta que actúe sobre los planetas? ¿Cómo puedes estar seguro? ¿Sabes cuál es esa fuerza? ¿Para qué sirven los agujeros del tambor de una lavadora? Relaciona tu respuesta con la que has dado en la primera pregunta de la actividad 3.
TAREA FINAL Tu tarea consiste en redactar una memoria de investigación titulada ¿Fuerza centri-qué?: Fuerza centrípeta. Debes redactar uno o varios objetivos e incorporar las soluciones y los resultados de las cinco actividades realizadas. Trata de que el aspecto no sea el de una colección de ejercicios, sino que resulte un informe organizado con la estructura que consideres más útil para demostrar todo lo que sabes sobre la fuerza centrípeta.
PROYECTO DE INVESTIGACIÓN
143
111
7 El principio de Pascal El simulador virtual que hemos empleado para comprobar el principio de los vasos comunican tes y la paradoja hidros tática también permite comprobar y profundizar en el principio de Pascal. Usa la tercera pantalla de este simulador.
Ciencia 2.0 y otros. A lo largo de todo el libro podrás acceder a applets relacionadas con los procesos químicos y físicos más interesantes.
EXPERIMENTA
Ludión de Descartes
2
168
3
Se ejerce una fuerza F1 sobre la superficie A1 y por tanto se eleva la presión del líquido un valor: F P1 = 1 A1
EJEMPLO RESUELTO 16. El elevador hidráulico es una máquina que aprovecha el principio de Pascal para conseguir grandes fuerzas con las que elevar pesados cuerpos aplicando fuerzas moderadas. El elevador de la figura posee un pistón pequeño de radio 2 cm y uno mayor de radio 20 cm. ¿Qué fuerza debe aplicarse con el aire comprimido para elevar un vehículo de 2 000 kg? Solución Debe emplearse el principio de Pascal, y para ello deben conocerse las superficies de los pistones pequeño y grande: Spequeña = ⋅ r 2 = ⋅ 2 2 = 4 cm2
De acuerdo al principio de Pascal, el aumento de presión P1 del depósito se comunica a todo el líquido. Por tanto: F1 F P1 = P2 → = 2 A1 A2 Expresión matemática del principio A de Pascal. Despejando: F2 = F1 · 2 , A 1
F1
F2
Faire
Spequeña
P = coche Sgrande
Faire
P ·S 2000 · 9,8 · 4 · = 196 N = coche pequeña = Sgrande 400 ·
Por tanto, este elevador multiplica por cien la fuerza ejercida.
ACTIVIDADES 35. Para subir a una furgoneta a una persona en silla de ruedas cuya masa conjunta es de 120 kg, se instala un elevador hidráulico con un pistón grande. El radio de este pistón es ocho veces mayor que el del pistón pequeño. La fuerza aplicada es de 25 N. ¿Es un sistema adecuado?
ACTIVIDADES
36. Elabora una exposición oral acerca del sistema de dirección neumática en la que expliques su funcionamiento y las ventajas que posee.
UNIDAD 5
Ejercicios que consolidan los conceptos aprendidos en la teoría.
169
Cierre de unidad MAPA CONCEPTUAL PRÁCTICA DE LABORATORIO
Mapa de los conceptos más importantes en el que te invitamos a completarlo con otros que has estudiado.
Publicación
Copia el mapa en tu cuaderno y complétalo con los siguientes términos: escalares y vectoriales, fundamentales y derivadas, cifras significativas, error.
Observación
MÉTODO CIENTÍFICO
Hipótesis
Magnitudes Teoría o ley
Experimentación Medida en ciencia Análisis de resultados
MIRA A TU ALREDEDOR
Cuando usamos el teléfono móvil en la calle andamos con mayor prudencia Hoy en día es habitual ver personas que utilizan su teléfono inteligente a la vez que andan por la calle. Conrad Earnest, de la Universidad de Texas A&M, y tres colaboradores, de la Universidad de Bath, han examinado el efecto de realizar esta doble tarea en un grupo de treinta individuos que, además, se hallaban cognitivamente distraídos.
Establecer una relación entre variables
Introduce 100 mL de agua destilada en el vaso de precipitado. Dispón el vaso sobre el hornillo y coloca en su interior el termómetro. Sigue las instrucciones de tu profesor para el montaje. Enciende el hornillo y realiza medidas de tiempo con el cronómetro a intervalos de 30 segundos. Anota los valores de tiempo y temperatura hasta que el termómetro indique que el agua destilada se encuentra a 80 ºC. Procura que no exceda de ese valor.
Objetivo Encontrar la relación entre la temperatura y el tiempo. Introducción Queremos averiguar si existe relación entre el tiempo de calentamiento y la temperatura que alcanza un objeto, de tal forma que podamos encontrar una expresión matemática que relacione ambas variables. En nuestro caso lo realizaremos sobre el agua. Material • Hornillo. • Vaso de precipitado. • Agua destilada. • Termómetro. • Cronómetro.
Los resultados sugieren que los participantes tardaban más tiempo en recorrer el camino cuando realizaban la tercera tarea en comparación con la primera. En este caso, los individuos también conseguían evitar más obstáculos y aumentaban la frecuencia de pasos; asimismo disminuía su capacidad de caminar en línea recta. En concreto, cuando se enfrentaban a desafíos cognitivos, estos peatones disminuían su velocidad para minimizar el riesgo de accidentes, por lo que eran menos propensos a tropezarse porque reducían la longitud del paso y pasaban más tiempo con ambos pies en contacto con el suelo.
Lecturas, debates, investigaciones que te harán pensar y favorecerán tu espíritu crítico.
www.investigacionyciencia.es, 31 de julio de 2015 Cuestiones a) Identifica en este experimento los pasos del método científico. b) ¿Consideras que esta noticia tiene rigor científico? ¿Por qué? c) Realiza un debate en clase sobre los resultados obtenidos.
28
30’’
1’30’’
2’
2’30’’
3’
Con tareas asociadas.
a) Utilizando la expresión matemática obtenida, averigua qué tiempo habría que esperar para alcanzar una temperatura de 90 ºC. b) Analiza los motivos de los posibles errores que has cometido. 7. Expresa una breve opinión personal sobre la práctica realizada. Indica qué dificultades has encontrado en su ejecución. 8. Realiza nuevamente la práctica, pero esta vez con 200 mL de agua. 9. Expresa la función matemática de la función resultante. ¿Hay diferencia entre las dos funciones? ¿Qué conclusión podemos obtener?
Procedimiento Elabora una tabla como la siguiente para apuntar los valores de tiempo y temperatura durante el experimento: Tiempo
PRÁCTICA DE LABORATORIO
Tarea 1. Representa en un eje de coordenadas los valores de tiempo-temperatura que has tomado. Sitúa el tiempo como la variable independiente y la temperatura como la variable dependiente. 2. ¿Existe relación entre ambas variables? Si la respuesta es afirmativa, indica qué tipo de relación poseen. 3. Calcula la constante de proporcionalidad y exprésala con su unidad correspondiente. Para ello, calcula el valor de la constante para cada medida y realiza la media. 4. Calcula el error absoluto y relativo que se ha cometido para cada valor de la constante de proporcionalidad. 5. Expresa la función matemática de la función resultante. 6. Responde a las siguientes cuestiones:
Los participantes, de 18 a 50 años de edad, siguieron un camino lleno de obstáculos mientras ejecutaban tres acciones diferentes. En el primer caso, andaban como lo hacían normalmente; en el segundo, andaban y tecleaban mensajes de texto en su teléfono móvil; en el tercero, además de las dos tareas anteriores, tenían que resolver un problema de matemáticas.
MIRA A TU ALREDEDOR
…
T (ºC)
UNIDAD 1
UNIDAD 1
29
ACTIVIDADES FINALES
No moja
No moja
Moja
Moja
La «suciedad» habitualmente en maLa consiste «suciedad» consiste habitualmente en materia grasa adherida al tejido y que por suycateria grasa adherida al tejido que por su carácter hidrofóbico no puede ser Tejido rácter hidrofóbico no desplazada puede ser desplazada Tejido por la acciónpor únicamente agua. del agua. la acción del únicamente ¿Por qué disminuye tensión superficial ¿Por quéladisminuye la tensióndel superficial del Pregunta 1 Pregunta 1 agua? agua? Este carácterEste hidrofóbico puede relacionar a) El jabón incrementa número deelpuentes carácter se hidrofóbico se puede relacionar a) El jabón el incrementa número de puentes con la estructura una grasade que básicamencon ladeestructura una grasa que básicamen- de hidrógeno. de hidrógeno. te puede serteunpuede ácidoser graso o un triglicérido. un ácido graso o un triglicérido. b) El jabón disminuye número de b) El jabóneldisminuye el puentes número de puentes ¿Cuál es la causa hidrofóbico? ¿Cuáldel es carácter la causa del carácter hidrofóbico? de hidrógeno. de hidrógeno. a) La gran a) cadena hidrocarbonada forma La gran cadena hidrocarbonada forma c) El jabón disocia la molécula agua en sus c) El jabón disociade la molécula de agua en sus puentes de hidrógeno el agua. con el agua. puentes decon hidrógeno elementos. elementos. b) La gran cadena hidrocarbonada interacb) La gran cadena hidrocarbonada interacd) El jabón elimina hidrógenos agua. del agua. d) El jabón eliminadel hidrógenos ciona con el ciona agua mediante fuerzas de Van con el agua mediante fuerzas de Van der Waals. der Waals. Pregunta 3Pregunta 3 c) Los átomos con el c) de Losoxígeno átomosinteraccionan de oxígeno interaccionan con el más sencillosmás se sencillos componen Los detergentes se componen agua formando puentes de hidrógeno. agua formando puentes de hidrógeno. Los detergentes de una cabeza y una cola hidrofóbide hidrofílica una cabeza hidrofílica y una cola hidrofóbid) Ninguno de casos de anteriores. d) los Ninguno los casos anteriores. ca, de manera son capaces de rodear ca,que de manera que son capacesa la de rodear a la suciedad y aislarla delytejido. respuesta suciedad aislarla¿Qué del tejido. ¿Qué respuesta Pregunta 2Pregunta 2 es cierta? es cierta? Las fuerzas cohesivas entre las moléculas denLas fuerzas cohesivas entre las moléculas dentro de un líquido están compartidas con todos con todos tro de un líquido están compartidas los átomos vecinos. Lasvecinos. de la superficie los átomos Las de lanosuperficie no tienen átomos por átomos encima por y presentan tienen encima yfuerpresentan fuerH2O H2O zas atractivas fuertes más sobre sus vecinas zasmás atractivas fuertes sobre sus vecinas próximas de próximas la superficie. asimetría de asimetría las de laEsta superficie. Esta de las fuerzas de fuerzas atracción de atracción Tensión une al agua por al agua por Tensión superficiala) La cabezaa)hidrofílica La cabezasehidrofílica se une intermoleculares en la intermoleculares en lasuperficial puentes de hidrógeno. puentes de hidrógeno. superficie sesuperficie llama ten-se llama tensión superficial. b) La cabezab) hidrofílica une al agua por al agua por sión superficial. La cabezasehidrofílica se une enlaces covalentes. enlaces covalentes. El proceso de El limpieza proceso de limpieza c) La cola hidrofóbica puentes de hidróc) La colaforma hidrofóbica forma puentes de hidróutilizando unutilizando detergen-un detergengeno con la grasa geno de concarácter la grasahidrofílico. de carácter hidrofílico. te se inicia porque este porque este te se inicia es capaz deesdisminuir d) Ninguna de anteriores. capaz de disminuir d) las Ninguna de las anteriores.
3. Procede 3. a realizar pruebas conpruebas al Procedevarias a realizar varias con al menos un par de adhesivos. factomenos un par deAnaliza adhesivos. Analiza factoInvestigar y Investigar desarrollary un adhesivoun o pegadesarrollar adhesivo o pegares como: res como: mento biodegradable e informar de las alter- de las altermento biodegradable e informar a) Tiempo de que sea no pea)secado Tiempohasta de secado hasta que sea no penativas a los nativas productos a loscomerciales. productos comerciales. gajoso al tacto. gajoso al tacto.
Producto final Producto final
Actividades de consolidación
1. ¿Es posible que un electrón esté en una órbita con una energía de –E0/16? ¿Cuál sería?
Objetivo Objetivo
2. ¿Cuál es el fenómeno que dio lugar al nacimiento del modelo de Bohr? Explícalo. 3. Diferencia entre órbita y orbital. ¿A causa de qué razonamiento se cambia una por la otra?
b) Tiempo de curado hasta conseguir b) Tiempo de curado hastalaconseguir la fortaleza máxima. fortaleza máxima.
4. Un átomo posee ocupadas las siguientes órbitas, según el modelo de Bohr. Identifica cuál sería su representación en el modelo cuántico y a qué elemento nos referimos.
Obtener un Obtener productoun adhesivo natural y preproducto adhesivo natural y prehasta que lahasta que la parar una presentación pública del pública procesodel proceso c) Tiempo de c) envejecimiento Tiempo de envejecimiento parar una presentación unión se separa. seguido y deseguido los resultados unión se separa. y de losobtenidos. resultados obtenidos. d) Fortaleza d) deFortaleza la unión, cuánta fuerza he- fuerza hede la unión, cuánta mos de hacermos hasta sehasta separe. de que hacer que se separe.
Pasos que debes Pasos realizar que debes realizar
4. Con todos4.los datos elabora unaselabora muestras Aunque tu profesor proponerte proCon todos los datos unas muestras Aunquepuede tu profesor puede un proponerte un proexposición público. Deceso diferente, indicamosteuna posible una se- posible se- y prepara una y prepara una en exposición en público. Decesotediferente, indicamos cómo se justifica en- la unión encuencia de pasos. es También recomendable explicar cómolaseunión justifica cuenciaTambién de pasos. es recomendable bes explicar bes delas manera y si existe hacerlo en grupo, comparar loscomparar datos los datos tre las piezastre piezasquímica de manera química y si existe hacerloy luego en grupo, y luego agresión a lasagresión superficies no. obtenidos. obtenidos. a lasosuperficies o no.
Li y F Li y Li
5. Enumera las familias y los elementos de los grupos principales.
Clave
Periodo
Grupo
Familia
Config. elec.
Z
[B] … 4p3 [E] Z = 51
[C] grupo 14 Peri. 5 [F] tercer alcalino
5. Si tienes oportunidad, realiza una venta fic-una venta fic5. Si tienes oportunidad, realiza ticia de tu producto. Para ello debes valorar: ticia de tu producto. Para ello debes valorar:
G N H
UNIDAD 2
69 UNIDAD 2
J L
M
7. Enuncia la regla del octeto y aplícala para los elementos: 3Li, 13Al, 16S, 20Ca, 30Zn 33As, 54Xe. 8. Un elemento del tercer periodo completa su octeto ganando tres electrones. Obtén su número atómico, la configuración electrónica del elemento libre y el tipo de enlace que formará consigo mismo.
Incorporac)toda esta información a tu inIncorpora toda esta información a tu informe y recoge losycomentarios de tus forme recoge los comentarios de tus compañeros,compañeros, familiares y amigos. familiares y amigos.
UNIDAD 2
I K
b) Cuál seríab)elCuál costesería de los materiales el el coste de losy materiales y el precio de venta. Se de consciente lo que de lo que precio venta. Sede consciente tú pagarías por el producto. Tuproducto. margen Tu margen tú pagarías por el de beneficiode debe ser razonable. beneficio debe ser razonable.
69
66
CyF K y Cl
1
2
4
11. Identifica a partir de sus propiedades el tipo de sustancia y el enlace entre sus elementos: a) Conduce la corriente fundido pero no sólido. b) Deformable y conduce la corriente. c) Tan blando que sirve de lubricante. d) Temperatura de fusión muy elevada y no conduce, incluso fundido. 12. Nombra y formula: a) 2-penteno c) CH3—CH—CH3 | CH2—CH3 e) CH2=CH—CH3
Actividades avanzadas
13. Identifica cuáles de las siguientes combinaciones de números cuánticos son posibles y a qué orbital nos referimos. Si son inviables, justifica la causa: a) (2,3,4)
b) (3,1,1)
c) (0,0,0)
d) (2,0,0)
e) (1,1,-1)
f) (3,2,-2)
14. Realiza la estructura de Lewis y predice las valencias de los compuestos formados por: a) Ca y S
b) Al y S
c) N y O
d) Br y Br
15. Te encuentras en un almacén donde tienes lápices, baldosas, un anillo de diamante, una chapa de acero, un saco de sal gruesa, alcohol y unas tijeras. Indica qué material utilizarías para: a) Pasar por encima cables pelados con corriente. b) Evitar el chirrido de una puerta. c) Realizar el filamento de una bombilla. d) Conseguir una disolución conductora. e) Cortar el cristal de la ventana sin romperla.
Distancia entre núcleos
[A] Z = 12 [D] = … 3d6
2. Busca pegamentos naturales. Para ello, Para ello, 2. Busca pegamentos naturales. además de mirar en de libros e Internet, además mirar en librosreae Internet, realiza una investigación de campo por en- por tu enliza una investigación detu campo torno y averigua unían antiguamente tornocómo y averigua cómo unían antiguamente c) los objetos rotos o que necesitaban mantelos objetos rotos o que necesitaban mantenerse unidos.nerse unidos.
OyF Mg y S
3
[A]
a) Si tiene uno o tiene variosuno componentes que a) Si o varios componentes que has de proporcionar por separado has de proporcionar pory separado y cómo lo harías. cómo lo harías.
Mg y F FyF
10. Identifica qué situación representa cada uno de los números en la gráfica de energía de enlace e indica qué tipo de fuerza (atractiva o repulsiva) domina.
6. Completa la tabla y localiza en el SP los siguientes elementos:
1. Infórmate1.sobre los diferentes de ad- tipos de adInfórmate sobre lostipos diferentes hesivos que existen cómo actúay cada hesivos yque existen cómouno actúa cada uno de ellos. Si bien no vamos a realizar ningude ellos. Si bien no vamos a realizar ninguno de ellos, no os de interesa su modo ellos, conocer os interesa conocer su modo de actuacióndepara después investigar actuación para despuéssoinvestigar sobre vuestra propuesta. bre vuestra propuesta.
9. Para las siguientes parejas, determina: a) Tipo de enlace: iónico, covalente o metálico. b) La valencia con que actúa cada elemento. c) La fórmula del compuesto formado y la estructura de Lewis resultante. d) El tipo de sustancia que se ha formado.
b) Metilpropano d) 2-propanol =O f) CH3—CH2—C— H
16. ¿Cuál es la estructura de Lewis del carbono en el diamante, el grafito, el grafeno y el carbino? 17. Añadimos oxidante en exceso al 1-propanol, al 2-propanol y al 2-metil-2-propanol. Formula y nombra todos los compuestos que se pueden formar e identifica los tipos de carbono. 18. Encuentra y nombra tres isómeros del C3H6O y cinco del C4H8O2 (hay nueve al menos). 19. Nombra o formula: a) 2,3-dimetilpentano b) dipropilamina O
c) CH2=C=CH2
=
la tensión superficial agua y permite que se El proceso El de proceso limpieza de consiste en consiste separar en separar la tensióndel superficial del agua y permite que se limpieza mejor«moje» el tejido y se el facilite materiales diversos de diversos un sustrato no al que «moje» mejor tejidolayseparación se facilite la separación materiales de al un que sustrato no deben estar deben unidos.estar Vamos a centrarnos el dehidrofóbica. la suciedad hidrofóbica. unidos. Vamos aen centrarnos endeella suciedad jabón de limpieza o dede manos. jabón de de ropa limpieza ropa o de manos.
Actividades básicas
Tarea competencial Tarea competencial
Energía
Los adhesivos Los adhesivos
d) CH3—C—CH=CH2
e) CH2=CH—COONH2 f) CH3—CH—COOH
UNIDAD 2
—
PON EN MARCHA HABILIDADES PON ENTUS MARCHA TUS HABILIDADES
El jabón El jabón
UNIDAD 68 2
Por el principio de Pascal, el aumento de presión se comunica a todas las partes del gas, y da lugar a una fuerza suficiente para levantar el vehículo en las dos columnas del elevador.
UNIDAD 5
MAPA CONCEPTUAL
68
Este compresor introduce aire en un pistón pequeño del elevador au mentando su pre sión.
Sgrande = ⋅ r 2 = ⋅ 20 2 = 400 cm2
La fuerza que debe realizar el elevador corresponde al peso del coche. Por tanto, la fuerza que debe realizar el aire comprimido es:
que muestra que, a mayor superficie A2, mayor es la fuerza F2 que obtenemos. Con un diseño adecuado, podemos lograr fuerzas muy elevadas; por ejemplo, para deformar una lámina de acero, aplicando fuerzas moderadas.
A2
A1
Acompañan a la teoría cuando los conocimientos matemáticos lo requieren.
Disco de freno
El principio de Pascal afirma que la presión ejercida sobre un fluido incom presible situado en un recipiente cerrado de paredes rígidas se transmite con igual intensidad en todas las direcciones y en todos los puntos del fluido.
1
Esa presión se comunica a unos pistones de mayor superficie (en color rojo en la imagen de detalle) que presionan el disco ligado a la rueda y la frenan. La fuerza ejercida en la maneta se multiplica en estos pistones y el sistema logra mayor fuerza de frenado.
Al apretar la maneta de frenos, ejercemos una presión sobre un líquido existente en estos tubos, cuya sección lateral es muy pequeña.
2. Necesitas una botella de plástico de 1,5 litros, una carcasa de bolígrafo transparente, trocitos Cámara llena de alambre y cinta aislante. de aire Con la cinta tapa el agujerito lateral del bolígra Lastre fo. La única abertura del bolígrafo debe ser la (alambre, plomo...) inferior. Mete el alambre en cantidad suficien Boca no te para que quede flotando. Cierra la botella y taponada aprieta lateralmente con la mano. ¿Qué trayectoria sigue el bolígrafo? Si aprietas Agua con más fuerza, ¿qué sucede? Vuelve a apretar la botella y fíjate en la parte inferior del bolígrafo. ¿Puedes explicar el movi miento del bolígrafo empleando el principio de Arquímedes? Cuando no aprietas la botella, la carcasa permanece llena de aire. Para que el agua pueda entrar dentro de esta carcasa, su presión debe ser ma yor que la de este aire. Al apretar la botella, ¿interaccionas con el agua?, ¿aumentas su presión?
La figura muestra una prensa hidráulica, una de las principales aplicaciones del principio de Pascal. Puedes ver estas prensas en numerosas industrias y talleres. Por ejemplo, para el conformado de piezas de acero. Las prensas de la actualidad emplean aire comprimido en lugar de fuerza muscular.
EJEMPLOS RESUELTOS
Otra aplicación muy importante del principio de Pascal son los sistemas de frenos hidráulicos de automóviles o bicicletas:
Los líquidos son fluidos casi incompresibles, lo que significa que su volumen varía muy poco al ejercer presión sobre ellos. El principio de Pascal explica cómo responde un líquido cuando se efectúa presión sobre él.
FÍSICA 2.0
CH2—CH3
20. Indica todos los posibles números cuánticos asociados a un orbital 3s, 2p y 4d. 21. ¿Por qué no puede existir un orbital 2d? 22. Justifica la estructura de Lewis del ácido fórmico (HCOOH), PCl3 , azufre (S8) y NCl3 . 23. Propón de manera razonada un orden en las temperaturas de fusión de las siguientes sustancias: W, I2, NaF, Na2O, SiO2, MgO, Sn. 24. Justifica la evolución de las temperaturas de fusión de los haluros de hidrógeno: Compuesto
HF
HCl
TFUS (K)
190
158,3
153
184,6
TEBUL (K)
293
188,1
HBr 200
237,8
HI
25. ¿Qué relación existe entre los subíndices de las fórmulas CaF2, SF2 y F2 y su estructura? 26. El agua posee un punto de fusión anormalmente elevado. ¿Qué ventaja biológica implica y a qué es debido? 27. ¿Qué significa desnaturalizar una proteína desde el punto de vista químico y qué interacciones se modifican? 28. Investiga el origen y las aplicaciones más importantes de los hidrocarburos en función del número de carbonos de su cadena. 29. Realiza un cartel en el que muestres los principales grupos funcionales, la estructura básica, algunos ejemplos, sus propiedades y aplicaciones. 30. Formula: a) Ácido 2-etil-2-pronenoico b) Butanoato de metilo c) Etanoato de butilo = 31. Nombra: a) CH3—C=C—C—
—
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SIMULACIONES Y APLICACIONES 2.0
CH3—CH2
O NH2
b) CH3 —CO—CH2—CO—CH3
UNIDAD 2
PON EN MARCHA TUS HABILIDADES
ACTIVIDADES FINALES
Una actividad tipo PISA y una Tarea competencial por unidad, con las que podrás poner en juego tus conocimientos, habilidades y destrezas para resolverlas.
Divididas en básicas, de consolidación y avanzadas, con las que alcanzarás los conocimientos necesarios.
67
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6
ENERGÍA
Una tormenta eléctrica, una llama o el simple hecho de pasar de página un libro son manifestaciones de la energía. El mundo que nos rodea está lleno de ella, es tan valiosa que nuestra sociedad se fundamenta en ella. El abastecimiento energético es sin duda uno de los grandes problemas a los que nos enfrentamos, no solo los grandes países, sino también nosotros en nuestras tareas domésticas y cotidianas. Es tan importante, que el ser humano busca incansablemente nuevas fuentes de energía, como es el caso de las energías renovables. Pero no solo hablamos de energía a gran escala, también tenemos la energía que consumimos y gastamos a diario, «nuestra energía». En el fondo, somos una acumulación de energía que entra y sale de nosotros. La electricidad es solo una forma de presentarse la energía, aunque sin duda la más conocida. Para poder abastecer a todo el mundo de ella y disfrutar de sus ventajas es necesario algo más que buena voluntad: es necesario un trabajo de todos. La energía, como aprenderás en esta unidad, no se crea ni se destruye, pero es necesario saber compartirla. Como dijo una vez Albert Einstein (1879-1955): «Hay una fuerza motriz más poderosa que el vapor, la electricidad y la energía atómica: la voluntad.»
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Sumario
1 Energía 2 Tipos de energía 3 Trabajo 4 Principio de conservación de la energía
5 6 7
Potencia Calor y energía
Máquinas térmicas
Te proponemos un reto El ahorro energético es sin duda un problema para todos nosotros. Todos queremos ahorrar en nuestra factura de la luz. Pero ¿sabemos cómo hacerlo? Existen muchas formas de ahorrar energía. Si buscas en Internet o le preguntas a tus padres o a tus abue los, encontrarás consejos para ahorrar energía. No pretendemos que las conozcas todas, pero sí que sepas de su utilidad. Para ello te proponemos un reto: 1. Sal a la calle y realiza una encuesta. Debes pedir a tus interlocutores que te digan cinco formas distin tas de ahorrar energía. Toma nota de las respuestas de cada persona. 2. A cuantas más personas consultes, mejor. Una vez que tengas suficientes datos, clasifícalas según al gún orden: por sus respuestas, por la eficiencia de las propuestas, por la facilidad de respuesta, etc. 3. Expón los resultados en clase y a tus familiares. ¿Coinciden las medidas que proponen los ciudadanos que has encuestado con las que proponen y poten cian los distintos estamentos u organismos? En esta unidad conocerás la energía y sus formas de presentarse. Esto te ayudará a comprender mejor cómo poder utilizarla para tu beneficio, como es la po sibilidad de ahorrar en la factura de la luz.
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ENERGÍA 2.0
En el siguiente enlace encontrarás animaciones, explicaciones y activida des relacionadas con el concepto de energía. goo.gl/npkfxW
RECUERDA
La energía puede me dirse en otras unidades, como la caloría (cal) o el kilovatio−hora (kWh). 1 caloría = 4,18 J 1 kWh = 3,6 · 106 J
182
UNIDAD 6
1 Energía
La energía nos rodea, está presente en todas partes. Caminar, correr, ir en bicicleta, escalar o encender el móvil son ejemplos de manifestación de la energía.
PIENSA Y RAZONA Responde a las siguientes cuestiones: a) ¿Tiene energía un coche que se queda sin gasolina? b) Si ese mismo coche lo dejamos caer cuesta abajo sin gasolina, ¿tiene ahora energía? La energía es una propiedad que tienen todos los cuerpos que les permite provocar cambios en sí mismos y en su entorno. Se mide en julios (J) en el SI. Cuanta más energía tenga un cuerpo, mayor será su capacidad para provocar cambios, aunque la energía no es la causa de dichos cambios. La energía se manifiesta tanto en los cambios físicos como en los químicos. Por ejemplo, elevando un objeto, calentándolo o quemándolo.
Un cambio de estado es una manifestación de la energía.
Quemar es una forma de manifestación de la energía.
ACTIVIDADES 1. Las siguientes situaciones son ejemplos de manifestación de la energía. Indica qué cambio se produce en cada caso: a ) Un objeto cayendo. b ) Ponerse al sol. c ) Golpear una pelota. d ) Hielo derritiéndose.
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1.1. Propiedades de la energía La energía tiene una serie de propiedades que la hacen única. Vamos a com probarlo en un hecho cotidiano: cargar la batería de nuestro teléfono móvil. Se transporta. Lo hace a través del cable.
Se transforma. La energía eléctrica de la red se transforma en energía química en la batería.
Se conserva. La energía suministrada por la red eléctrica pasa totalmente al cargador.
Se almacena. En las baterías de los móviles se acumula la energía.
Se degrada. Al calentarse, los móviles pierden energía en forma de calor.
Se transfiere. La energía pasa de la red al cargador, y del cargador al móvil.
Añadiendo estas características, podemos definir la energía de la siguiente manera: La energía produce cambios en los cuerpos. Se puede transferir, transpor tar y almacenar, cambiar de una forma a otra y conservar en cantidad, aun que pierde en calidad durante dichos cambios.
Ocurre en ocasiones que parte de la energía se disipa durante un cambio, provocando otro cambio. Es así como surgen los conceptos de energía útil y energía degradada: La energía útil se define como la parte de la energía que se pone en juego y que provoca el cambio deseado.
La energía degradada es la parte de la energía que provoca un cambio no deseado.
ENERGÍA 2.0 Practica tus conocimien tos de energía y sus pro piedades en este test de autoevaluación. goo.gl/z7GtJ7
ACTIVIDADES
2. Pon tres ejemplos de transferencia de energía entre dos cuerpos.
3. Propón un ejemplo, como en la figura del epígrafe 1.1, en el que se pongan de manifiesto todas las propiedades de la energía.
4. Cuando encendemos una bombilla, el 5% de la energía se emplea en iluminar. ¿En qué se emplea la parte restante? ¿Cuál es la energía útil y cuál, la degradada? 5. Si la energía se transforma, ¿de dónde proviene la energía eléctrica generada en una central hidroeléctrica?
UNIDAD 6
183
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2 Tipos de energía
ENERGÍA 2.0
En el siguiente enlace comprobarás diferentes formas en las que puede presentarse la energía. goo.gl/P8gTet
Golpear una pelota, levantar un objeto, encender una bombilla... Se pueden realizar muchos cambios distintos, todos los cuales llevarán asociado un tipo de energía. La energía puede presentarse de diversas formas. Vamos a centrarnos en la energía mecánica y sus dos vertientes, la energía cinética y la potencial.
2.1. Energía cinética Cuando caminas o corres, estás trasformando energía. Todo cuerpo en movi miento es capaz de producir cambios, por lo que lleva asociada una energía.
¿SABÍAS QUE...?
El sistema de frenada ERS de los coches de Fórmu la 1 está basado en la con servación de la energía en forma de energía ci nética. Puedes encontrar más información en este artículo: goo.gl/aaTqUu
La energía cinética (Ec) es la que tiene todo cuerpo por el hecho de mo verse. Podemos calcular su valor mediante la siguiente expresión: 1 Ec = m · v 2 2
PIENSA Y RAZONA Si un coche se estrella contra un objeto puede provocar grandes destrozos, lo que es, por tanto, un ejemplo de manifestación de la energía que posee el vehículo. a) ¿Qué puede provocar más daño, un coche con mayor masa o un coche a más velocidad? b) Según la expresión matemática, ¿qué factor influye más, la masa o velocidad?
EJEMPLO RESUELTO
1. Calcula la velocidad de una bala de 4 g cuya energía cinética es 2 880 J. Solución 1 kg = 0,004 kg m=4g · Cada magnitud debe de ir en unidades del SI 1 000 g Despejamos la velocidad de la ecuación de la energía cinética y sustituimos: Ec =
1 m · v2 2
v=
2 · Ec m
2 · 2 880 = 1 200 m · s−1 0,004
ACTIVIDADES
6. La energía cinética de una golondrina en vuelo es el doble que la de una paloma. La masa de la golondrina es la mitad que la masa de la paloma. ¿Cuántas veces es mayor la velocidad de la golondrina que la de la paloma?
184
v=
UNIDAD 6
7. Calcula la energía cinética de un adulto de 75 kg que circula en una motocicleta de 100 kg a 120 km · h−1.
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2.2. Energía potencial Una maceta situada en un segundo piso o un muelle estirándose son dos ejem plos de manifestación de energía potencial. Existen dos tipos principales de energía potencial: gravitatoria y elástica.
A. Energía potencial gravitatoria La energía potencial gravitatoria ( EP ) es la que tiene todo cuerpo situa g do a cierta altura sobre el suelo. Podemos calcularla mediante la siguiente expresión: EP = m · g · h
¿SABÍAS QUE...? En las centrales hi droeléctricas se aprove cha la energía potencial gravitatoria de un salto de agua para hacer girar una turbina y convertirla en energía eléctrica.
g
Donde m es la masa del cuerpo expresado en el SI y g la gravedad (9,8 m · s−2).
EJEMPLO RESUELTO
2. Calcula la altura a la que debe encontrarse el pájaro de la figura para que su energía potencial sea de 14,35 cal. Su masa es de 500 g. Solución Todas las magnitudes deben estar situadas en el SI. 1 kg 4,18 J EP = 14,35 cal · = 60 J = 0,5 kg m = 500 g · g 1 cal 1 000 g Despejamos la altura en la expresión de la energía potencial gravitatoria: EP g h = EP = m · g · h g m·g Sustituimos valores: 60 h= = 12,24 m 0,5 · 9,8
ACTIVIDADES
8. Calcula la energía potencial de una maceta de 300 g que se encuentra en un quinto piso de un edificio. Cada piso tiene una altura de 2,36 m. 9. Calcula la altura que tiene que tener una piedra de 100 g para tener la misma energía potencial gravitatoria que la maceta de la actividad 8.
10. La energía potencial, ¿puede ser negativa? Justifica tu respuesta. 11. La energía potencial gravitatoria de un objeto, ¿sería la misma en la Tierra que en Marte? Razona tu respuesta.
2,36 m 2,36 m 2,36 m 2,36 m 2,36 m 2,36 m
12. ¿A qué altura debe elevarse un cuerpo de 5 kg para incrementar su energía potencial en una cantidad igual a la energía que tendría si se moviese a 40 km · h−1?
UNIDAD 6
185
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B. Energía potencial elástica
RECUERDA
La constante elástica (k) tiene un valor para cada cuerpo elástico. Nos muestra la facilidad de poder ser estirado. A ma yor valor, más resistencia muestra a la variación de longitud.
Siendo k la constante elástica del muelle medida en N · m−1 en el SI y x el des plazamiento respecto a la posición de equilibrio. Todo cuerpo elástico es capaz de sufrir deformaciones reversibles, es decir, es capaz de volver a su posición inicial. Ejemplos de cuerpos elásticos son los muelles, una goma al estirarse o la cuerda de un arco.
x
EJEMPLO RESUELTO
x = 60 cm
186
La energía potencial elástica ( EP ) es la que posee todo cuerpo elástico e separado de su posición de equilibrio. Podemos calcularlo mediante la si guiente expresión: 1 EP = k · x 2 e 2
UNIDAD 6
3. Un arco de constante elástica k = 300 N · m−1 se estira 60 cm. Calcula la energía potencial elástica que almacena. Solución El arco se separa 60 cm de su posición de equilibrio, este es el valor de x: x = 60 cm = 0,6 m Sustituimos en la expresión de la energía potencial elástica: 1 1 EP = k · x 2 ; EP = · 300 · (0,6)2 = 54 J e e 2 2 La cuerda del arco almacena 54 J de energía al separarse 60 cm de su posición de equilibrio.
ACTIVIDADES 13. Disponemos de un muelle de constante elástica 50 N · m−1. Calcula la energía potencial elástica si se estira 25 cm de su posición de equilibrio. 14. Averigua el valor de la constante elástica de un muelle que almacena 15 cal al estirarse 30 cm de su posición de equilibrio. 15. La energía potencial elástica, ¿puede ser negativa? Justifica tu respuesta.
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2.3. Energía mecánica Imaginemos un avión desplazándose a 800 km h−1 a una altura de 10 km. Tiene energía cinética debido a su movimiento y energía potencial gravitatoria debi do a su altura. Estas energías acumuladas se pueden sumar, dando lugar así a un nuevo tipo de energía. La energía mecánica (Em) es el tipo de energía que posee todo cuerpo por el hecho de moverse o encontrarse desplazado de su posición de equi librio. Se puede expresar así: Em = Ec + Ep
¿SABÍAS QUE...? La energía eólica aprove cha la energía mecánica que genera el aire debi do a su movimiento. Es paña es considerada una de las mayores potencias mundiales en producción de esta energía.
EJEMPLO RESUELTO
4. Calcula la energía mecánica del avión de la figura. La masa del avión es de 20 000 kg. Solución Primero, todas las magnitudes en el SI: v = 850 km · h−1 = 236,1 m · s−1. Luego, calculamos las energías que tenga el avión: • El avión vuela a una velocidad determinada, por lo que tiene Ec. 1 1 Ec = m · v2 = · 2 · 10 4 · (236,1) 2 = 5,57 · 108 J 2 2 • Se encuentra a una cierta altura, por lo que también tiene energía potencial. EP = m · g · h = 2 · 10 4 · 9,8 · 2 · 10 4 = 3,92 · 109 J g
Por último, calculamos la energía mecánica. En este caso será la suma de am bas energías: Em = 4,48 · 109 J Em = Ec + Ep = 5,57 · 108 + 3,92 · 109
15
20
VELOCIDAD
25
10
30
5
35 40
0
km/h
ALTURA km
ACTIVIDADES
16. Calcula la energía mecánica de un saltador de longitud de 80 kg de masa, cuando está en el aire a 2,5 metros sobre el suelo y con una velocidad de 9 m · s−1. 17. Calcula la altura a la que se encuentra una persona de 75 kg si está en el tercer piso de un edificio. En estas condiciones posee una energía mecánica de 4 557 J.
18. ¿Quién tiene más energía mecánica, un objeto de 20 g parado a 3 m de altura o un objeto de la misma masa a una velocidad de 3 m · s−1? 19. Realiza una gráfica en la que representes la energía cinética en el eje de ordenadas y la velocidad en el eje de abscisas del saltador del ejercicio 16. ¿Qué forma tiene la gráfica?
ENERGÍA 2.0 En PhET dispones de dos buenas simulaciones que te permiten anali zar la conversión entre energía manteniendo la mecánica: Pista de patinar «energía» goo.gl/z6MrPV
UNIDAD 6
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3 Trabajo
ENERGÍA 2.0
En el siguiente enlace dis pones de una simulación en la podrás comprobar cómo cambia el trabajo al modificar la distancia y la fuerza aplicada. Para ello selecciona Concepto de trabajo, den tro del apartado 2. El Trabajo. goo.gl/foFRmS
En la vida cotidiana se suele relacionar el trabajo con el esfuerzo. Una activi dad me cuesta trabajo realizarla si necesito emplear en ello un esfuerzo y vi ceversa. Sin embargo, se trata de una interpretación coloquial alejada del concepto real.
EXPERIMENTA Llevando tu mochila 1. Coge tu mochila como se indica en las dos figu ras siguientes. En ambas figuras aparece repre sentada la fuerza que aplicas: a) ¿En cuál realizas más esfuerzo? b) ¿En qué situación rea lizas más trabajo?
El trabajo viene asociado a una fuerza que desplaza un objeto, y no a un esfuerzo. El trabajo (W) de una fuerza se define como el producto entre el módulo de dicha fuerza (F) por el desplazamiento producido (x). W = F · x · cos a Siendo W el trabajo medido en julios (J) en el SI, F, el módulo de la fuerza en new tons (N), x, el desplazamiento en metros (m) y a, el ángulo entre la fuerza aplicada y el desplazamiento producido.
F
)
x
EJEMPLO RESUELTO
5. Calcula el trabajo necesario para mover un objeto de 300 g si lo queremos desplazar 1,5 m aplicando una fuerza de 6 N con un grado de inclinación respecto a la horizontal de 30º. F=6N Solución Todas las magnitudes deben aparecer en el SI: m = 300 g = 0,3 kg Aplicamos la expresión de W: x = 1,5 m m = 300 g W = F · x · cos a = 6 · 0,3 · cos 30 = 1,56 J
188
UNIDAD 6
)
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EJEMPLO RESUELTO
6. Justifica cuándo el trabajo es positivo, negativo y nulo. Solución El W depende de tres variables, tal y como queda refle jado en la ecuación matemática. De ellos, el ángulo nos permite saber cuándo el W es positivo, negativo o nulo. Vamos a verlo en la siguiente figura: a ) W > 0 → a > 0 Cuando la fuerza aplicada forma un ángulo < 90º con el desplazamiento, el W será positivo (cos a > 0). A su vez, para el valor de 0º el W tendrá su valor máximo, cos a = 1. Fr Un ejemplo es la fuerza F que aplicamos al empujar un coche. b ) W < 0 → a < 0 Cuando la fuerza y el desplazamiento forman un ángulo > 90º y < 180º el W será negativo, alcanzando su valor más negativo para el ángulo de 180º (cos a = −1). Un ejemplo es la fuerza de rozamiento, Fr. c ) W = 0 → a = 90º Cuando el ángulo comprendido entre la fuerza aplicada y el desplazamiento es de 90º, el trabajo será nulo, cos (90º) = 0. Un ejemplo es el peso P. Es posible calcular el trabajo total realizado por varias fuerzas. El trabajo es una magnitud escalar, por lo que debemos sumar el trabajo desarrollado por todas las fuerzas. En el ejemplo anterior, tendríamos:
F
P
x
WR = WF + WFr + WP
ACTIVIDADES
20. ¿Qué distancia recorrerá un cuerpo, inicialmente en reposo, si realiza un trabajo de 500 J aplicándole una fuerza de 10 N paralela al desplazamiento? 21. Calcula el trabajo realizado por cada fuerza y el trabajo total de un cuerpo de 2 kg de masa que se desplaza 500 cm deslizándose por un plano inclinado de 30º: a ) Considerando que no hay rozamiento. b ) Con rozamiento, siendo el coeficiente de rozamiento de 0,2. 30°
)
22. Arrastramos un bloque una distancia de 20 m por un plano horizontal. Realizamos para ello un trabajo de 1 500 J, que se utiliza en vencer la fuerza de rozamiento. Calcula el valor de dicha fuerza.
UNIDAD 6
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3.1. Trabajo y energía
RECUERDA
En muchos fenómenos podemos encontrar la relación entre trabajo y energía. El gasto de energía que necesita un pájaro para empezar a volar, la frena da de una bala al pene trar en una pared, etc.
Cogemos un libro de nuestro escritorio. Se encontraba en reposo a cierta al tura y lo levantamos a una altura superior. Ahora su energía potencial gravita toria será superior a la que tenía inicialmente. ¿De dónde proviene esa energía extra? Trabajo y energía se miden en la misma unidad. ¿Son la misma magnitud? Para levantar el libro una cierta distancia hemos realizado una fuerza, por lo tanto, hemos realizado un trabajo. Pero tenemos también una variación de energía. Podemos llegar entonces a la siguiente conclusión: Todo trabajo supone una variación de energía. El trabajo es una forma de intercambiar energía. Este trabajo es el realizado por una fuerza exterior al cuerpo. Por tanto, se trata de una fuerza que se realiza sobre el cuerpo, no que la realiza el propio cuerpo. El trabajo es, por consiguiente, una energía en tránsito. La forma de transmitir la energía a través del trabajo es mediante la aplicación de fuerzas de un cuer po sobre otro. Para que haya trabajo, estas fuerzas deben provocar un despla zamiento del cuerpo. Llamando Ef a la energía final y Ei a la energía inicial del cuerpo tenemos que: W = DE = Ef − Ei
EJEMPLO RESUELTO
7. Ya hemos visto que el trabajo puede ser positivo o negativo. Relaciónalo con la variación de energía que produce. Solución Puesto que el trabajo es la variación de energía, podemos encontrarnos con dos situaciones distintas. La varia ción de energía es positiva o negativa. W>0
W 0 → W > 0. Un ejemplo es el trabajo realizado por el motor de un coche al aumentar la velocidad del vehículo.
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EJEMPLO RESUELTO
8. Calcula el trabajo en los siguientes casos: a ) El trabajo que realiza un motor de un coche de 1 500 kg para alcanzar una velocidad de 20 m · s−1 partiendo desde el reposo. b ) El trabajo que se realiza para elevar un objeto de 0,5 kg que se encon traba a una altura de 1,3 m hasta una altura de 2,9 m. Solución Para relacionar el trabajo con la variación de energía debemos saber qué tipo de energía mecánica tenemos. a ) Inicialmente el vehículo no tenía energía mecánica. Al adquirir velocidad, adquiere energía mecánica en forma de energía cinética. 1 1 Ef = Ec = · m · v2 = · 1 500 · 202 = 3 · 105 J Ei = 0 J 2 2 W = DE = Ef − Ei = 3 · 105 J Por lo tanto b ) Inicialmente el objeto tiene energía potencial gravitatoria. Al aumentar su altura, el objeto ve aumentada su energía potencial. Ei = EP = m · g · h = 0,5 · 9,8 · 1,3 = 6,37 J
IMPORTANTE El trabajo está relacio nado con la variación de la energía mecánica. Por ello, debes tener muy claro qué tipo o tipos de energía mecánica tene mos en el ejercicio: ciné tica y/o potencial.
g
Ef = EP = m · g · h = 0,5 · 9,8 · 2,9 = 14,21 J g
Por lo tanto
W = DE = Ef − Ei = 14,21 − 6,37 = 7,84 J
ACTIVIDADES
23. Un avión consigue despegar al alcanzar una velocidad de 300 km · h−1. Calcula el trabajo necesario para poder elevarlo hasta una altura de 15 km y una velocidad de 800 km · h−1. Expresa el resultado en julios y en calorías. v2 = 800 km · h−1
v1 = 300 km · h−1
h = 15 km
24. Calcula el trabajo que realiza una grúa para elevar un objeto de 8 500 hg desde una altura inicial de 1,5 m hasta una altura final de 3,6 m. 25. Un vehículo A de masa mA realiza un trayecto con una velocidad vA. Otro vehículo B de masa mB y velocidad vB realiza el mismo trayecto. Sabiendo que ambos parten desde el mismo punto y que la masa de A es el doble que la masa de B y que la velocidad de B es el triple que la de A, calcula la relación entre los trabajos que realizan los motores de ambos vehículos.
UNIDAD 6
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4 Principio de conservación
de la energía
ENERGÍA 2.0
En el siguiente enlace encontrarás un tutorial en forma de vídeo en el que se muestra cómo construir paso a paso un péndulo de Newton casero. goo.gl/cJ68Cr
192
El péndulo de Newton es un juguete que consiste en cinco bolas idénticas en contacto, alineadas y colgadas verticalmente. Cuando se separa una de las bolas de un extremo y se deja que choque contra las otras, se observa que la bola que hay en el otro extremo se pone en movimiento y alcanza la misma altura que la bola que se soltó inicialmente, permaneciendo el resto de bolas en reposo. El movimiento es continuo y periódico. E1= E
E4= E
Pg
Pg
h
h
E2
E3
Este hecho puede explicarse cuando el trabajo es cero, por lo tanto DE = 0, lo que conlleva que la Ei y Ef sean idénticas. A esto se le llama principio de conservación de la energía. La energía ni se crea ni se destruye, se transforma una en otra. La primera bola posee energía potencial gravitatoria al encontrarse a cierta altura h. Contacta con la siguiente bola, transmitiéndole su energía, la cual va transfiriéndose de bola a bola hasta llegar a la siguiente bola roja. Esta energía se convierte en energía cinética, ascendiendo así la bola hasta pararse. Esta energía se convierte en potencial gravitatoria. La energía es siempre constante.
EXPERIMENTA Demuestra el principio de conservación
UNIDAD 6
2. Vamos a comprobar la conservación de la energía. Necesitamos para ello una pelota de baloncesto y una pelota de tenis. Deja caer la pelota de tenis desde una cierta altura y comprueba la altura que alcanza al botar. Realiza el mismo proceso para la pelota de baloncesto. Observarás que la altura es distinta para cada caso. Ahora coloca la pelota de tenis encima de la pelota de baloncesto y déjalas caer simultáneamente. a) La pelota de tenis, ¿asciende a la misma altura que dejándola caer sola? b) Explica lo que ha ocurrido basándote en la conservación de la energía.
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De todos los tipos de energía, vamos a detenernos de nuevo en la energía mecánica. Usando el principio de conservación de la energía podemos llegar a la siguiente conclusión: La energía mecánica se conserva durante el movimiento.
Vamos a comprobarlo en el siguiente ejemplo.
EJEMPLO RESUELTO
9. Dejamos caer una pelota de 100 g desde una altura de 1,2 m. Calcula la velocidad con la que ha contactado con el suelo. Solución Puesto que el W = 0, se conserva la energía mecánica durante todo el trayecto de la pelota. En el instante inicial, la energía mecánica que posee la pelota es energía potencial. 1 kg m = 100 g · = 0, 1 kg 1 000 g EA = E = m · g · h = 0,1 · 9,8 · 1,2 = 1,176 J
EA = E
Pg
Pg
E = Ec + E
Pg
EB = Ec
Conforme va bajando, disminuye su altura y aumenta su velocidad, de tal manera que disminuye su energía potencial gravitatoria y aumenta la energía cinética. La suma nos dará siempre el mismo valor, 1,176 J, que es la energía mecánica de la pelota. Al contactar con el suelo, toda la energía se ha transformado en energía cinética: 1 EB = Ec = · m · v2 2 El valor de esta energía es de 1,176 J. De esta manera, aplicando el principio de conservación de la energía: 1 1 · m · v2 ; 1,176 = · 0,1 · v2 ; v = 4,85 m · s −1 EA = EB ; 1,176 = 2 2
ACTIVIDADES
26. Demuestra que la velocidad de caída de un objeto no depende de su masa. Aplica para ello el principio de conservación de la energía. 27. Comprimimos 20 cm un muelle de constante elástica 20 N · m−1 y le colocamos un objeto de 150 g. Calcula la velocidad con la que saldrá el objeto al soltar el muelle si todo el proceso sucede en horizontal.
28. Se lanza verticalmente y hacia arriba un objeto de 300 g con una velocidad de 3 m · s−1. Calcula: a ) La energía mecánica inicial. b ) La velocidad que tendrá cuando llegue a la mitad de la altura máxima. c ) La altura máxima alcanzada. d ) La velocidad con la que llegará al suelo de nuevo.
IMPORTANTE En algunas situaciones, como en el ejemplo, podemos usar también las ecuaciones de la cinemática. Tanto si usamos la ci nemática como la con servación de la energía, obtendremos el mismo resultado. En ciencia, en ocasiones, es posible más de un camino.
UNIDAD 6
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4.1. Energía y rozamiento
RECUERDA
Los aparatos electrónicos se calientan, lo que pro voca pérdidas de energía en forma de calor.
h1
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UNIDAD 6
Si dejamos caer una pelota desde una altura, según el principio de conserva ción de la energía, la pelota debería subir después del bote hasta la misma al tura inicial. ¿Ocurre en la realidad?
PIENSA Y RAZONA Una niña se balancea en un columpio. Cuando deja de ejercer alguna fuerza: a) ¿Qué debería ocurrir según el principio de conservación de la energía? b) ¿Qué es lo ocurre en la realidad? En el caso de la pelota, sabemos que al botar ascenderá a una altura (h2) menor que la inicial (h1), de tal manera que los botes sucesivos alcanzarán cada vez menor altura. La energía potencial es cada vez menor, debido a la pérdida de energía en forma de calor, lo que provoca que pueda subir la temperatura de la pelota. Entonces, ¿no se conserva la energía?
h2
La respuesta es sí. Este hecho nos permite reformular el enunciado del princi pio de conservación de la energía. En ausencia de rozamiento y de cualquier trabajo externo, toda la ener gía se convierte en energía útil. No obstante, si existe rozamiento, parte de ella se convierte en otros tipos de energía, como puede ser el calor.
EXPERIMENTA Número de botes 3. Necesitamos pelotas de distinto tamaño, por ejemplo: baloncesto, tenis y fútbol. a) Deja caer las pelotas de una en una desde una misma altura. b) Cuenta el número de botes que necesita cada pelota hasta pararse. c) ¿El número de botes es el mismo para cada caso? Encuentra una expli cación a lo que has podido observar en este experimento.
ACTIVIDADES 29. Dejamos caer una pelota de 80 g de masa desde una altura de 250 cm. En el primer bote la pelota ha perdido un 20% de su energía en forma de calor. a ) Determina el calor perdido. b ) Calcula la altura del segundo bote.
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Hemos comprobado que la energía puede disiparse en forma de calor. Existen otras formas de pérdida de energía, como por ejemplo el trabajo de rozamiento. Esta pérdida nos explica por qué un objeto en movimiento es capaz de de tenerse aunque cese la fuerza que hemos aplicado para iniciar el movimiento.
EJEMPLO RESUELTO
10. Hacemos deslizar una pelota de tenis de 80 g por el suelo proyectándole una velocidad de 1,5 m · s−1. El suelo tiene un coeficiente de rozamiento de 0,1. Justifica las transformaciones energéticas que han ocurrido y la distancia recorrida por la pelota hasta detenerse. Solución Trabajo de rozamiento Wr FROZAMIENTO
vi = 1,5 m · s−1
FPESO
ENERGÍA 2.0 En el siguiente enlace dispones de una simu lación en la que puedes calcular el trabajo y el trabajo de rozamiento. goo.gl/Ezalpk
vf = 0 m · s−1
d
Inicialmente la pelota posee energía mecánica en forma de energía cinética (Ei = Ec). Al ir avanzando, dicha energía se va disipando en forma de trabajo de rozamiento debido al contacto con el suelo. Cuando la pelota se para, su energía mecánica será cero (Ef = 0). Aplicando el principio de conservación de la energía Wr = Ef − Ei 1 1 Wr = 0 − Ec −Fr · d = − · m · v 2 Fr · d = · m · v2 2 2 1 kg Por lo tanto m = 80 g · 1 000 g = 0,08 kg Fr = m · N = m · m · g = 0,1 · 0,08 · 9,8 = 0,0784 N
Sustituyendo los datos: 1 1 · m · v2 = Fr · d ; · 0,08 · 1,52 = 0,0784 · d ; d = 1,14 m = 114 cm 2 2
EL LABORATORIO EN EL AULA Trabajo de rozamiento
1. Construiremos una pequeña rampa, por la cual dejaremos caer una canica para observar qué distancia re corre al deslizarse por distintos suelos. De esta forma comprobaremos el efecto del trabajo de rozamiento. El montaje experimental es sencillo: preparamos con una caja de car tón una rampa, a la que añadimos dos pajitas de plástico, de tal forma que formen un carril por el que descenderá la canica. Dejamos caer por el carril la canica y medimos la distancia que alcan za hasta detenerse. Se pueden emplear distintos suelos, como arena, una toalla o madera... ¿En qué suelo es mayor la pérdida de energía por rozamiento?
UNIDAD 6
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5 Potencia
ENERGÍA 2.0
Simulación de un mon tacargas en el que pue des modificar ciertas variables para comprobar cómo varía la potencia. goo.gl/FnJXuw
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El término potencia se utiliza de forma coloquial con bastante frecuencia. En los electrodomésticos, por ejemplo, aparece el valor de su potencia. Además, solemos usarlo en el lenguaje cotidiano al hablar de vehículos o de deportes.
PIENSA Y RAZONA En el ámbito deportivo se suelen emplear frases como «es un jugador muy potente físicamente» o «sus lanzamientos son muy potentes». a) ¿A qué se refieren estas frases con el término potencia? b) ¿Es la potencia una magnitud? En la mayoría de las transformaciones energéticas el tiempo es un factor im portante. Si una máquina realiza un trabajo, no solo importa la cantidad de energía que produce, sino también el tiempo que tarda en hacerlo. La potencia (P) es el ritmo al que se produce o se consume la energía por unidad de tiempo. W P= T Se mide en watios (W) en el SI. Un watio equivale a realizar un julio de trabajo en un segundo. Existen otras unidades, usadas coloquialmente, como el caballo de vapor (CV), que se utiliza para expresar la potencia en vehículos (1 CV = 735,5 W).
EJEMPLO RESUELTO
UNIDAD 6
11. Un montacargas consigue elevar un peso de 500 kg hasta una altura de 18 m. Tarda un tiempo de 35 s en realizar el proceso. a ) Calcula la potencia del montacargas en watios. b ) Calcula la potencia en caballos de vapor. Solución a ) Con los datos de los que disponemos, relacionamos el trabajo con la ener gía. Inicialmente, el objeto no tenía energía potencial ni cinética; en la altu ra máxima, la energía mecánica será la potencial gravitatoria. W = DE = EP − 0 = m · g · h = 500 · 9,8 · 18 = 88 200 J g
Por lo tanto, P =
W 88 200 J = = 2 520 W t 35 s
b ) Realizando el factor de conversión: 2 520 W ·
1 CV = 3,43 CV 735,5 W
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EXPERIMENTA Calcula tu potencia
4. Para realizar este experimento tan solo necesitamos arroz u otro producto similar, cinta métrica, un cronómetro y un edificio con varias plantas. Nece sitarás, además, la ayuda de algún compañero. a) Con la cinta métrica mide la altura que existe entre la planta baja y el primer piso del edificio. b) Escoge una cantidad fija de arroz, como por ejemplo 1 kg. c) Desde la planta baja, asciende por las escaleras hasta la primera planta con el arroz. Mide el tiempo que tardas en ello. Tu compañero puede llevar el cronómetro y esperarte en la primera planta. d) Calcula el trabajo realizado para subir el arroz relacionándolo con la energía. e) Calcula la potencia que has empleado en el proceso. Puedes repetir este experimento con varias masas distintas de arroz o pe dir a tus compañeros que hagan la misma actividad. Compara luego los resultados.
W = ∆E = EPg
EPg
h
E=0
Podemos obtener la potencia con una nueva expresión para el caso de que el objeto sufra un desplazamiento. En este caso obtenemos una expresión de la potencia relacionada con la fuerza aplicada para producir ese cambio y la ve locidad adquirida. W F·x P= = t t
Recordemos x que v = t
P=F·v
La expresión es válida solo en el caso de un MRU. Podemos deducir en este caso que la potencia depende proporcionalmente de la fuerza aplicada y de la velocidad empleada en el desplazamiento.
ACTIVIDADES
30. Un escalador con una masa de 60 kg invierte 30 s en escalar una pared de 10 m de altura. Calcula: a ) El trabajo realizado por el escalador. b ) La potencia del escalador. 31. Calcula la potencia del motor de un coche de 1 500 kg si es capaz de alcanzar los 100 km · h−1 en 2,3 s. Expresa el valor en W y en CV.
ENERGÍA 2.0
32. Calcula la potencia que necesitas para mover un objeto a una velocidad de 28 km · h−1 aplicando una fuerza de 12 N.
Repasa tus conocimien tos. Realiza una auto evaluación sobre los conceptos de trabajo, energía y potencia. goo.gl/5a6i1P
33. Un motor aplica 40 CV para impulsar un automóvil a lo largo de una pista nivelada a 15 m · s−1. ¿Cuál es el valor de la fuerza total de rozamiento con el suelo que actúa sobre el coche?
UNIDAD 6
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CIENCIA 2.0
Calor y temperatura son dos conceptos que sole mos usar como si signifi caran lo mismo. En este artículo encon trarás una explicación sobre sus diferencias y un ejemplo. goo.gl/cnopm5
¿SABÍAS QUE...?
La termodinámica es una rama de la física que se encarga del estudio de las formas de energía y de sus transformaciones: calor y trabajo.
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UNIDAD 6
6 Calor y energía «¡Qué calor hace!» o «Tengo frío» son expresiones que solemos usar a menudo. Los conceptos de calor y frío los utilizamos habitualmente para referirnos a temperaturas altas o bajas. Pero ¿usamos estos términos de forma correcta?
PIENSA Y RAZONA «Mañana hará más calor», «En tu habitación hace más frío que en la mía», pueden ser frases que hayas escuchado, o incluso pronunciado, en numerosas ocasiones. a) ¿A qué nos referimos con «hace más calor»? b) ¿Y con «hace más frío»? c) ¿Podemos medir de alguna manera ese calor y ese frío? Los conceptos calor y temperatura se suelen emplear como sinónimos en el habla coloquial, pero no significan lo mismo. El calor es la cantidad de energía que se transfiere entre dos cuerpos a distinta temperatura al ponerlos en contacto. El calor no es energía, sino transferencia de ella, y, por tanto, ambos, calor y energía, se miden en la misma unidad, julios (J). Si ponemos en contacto dos cuerpos a distinta temperatura, el cuerpo a mayor temperatura le cederá ener gía al cuerpo a menor temperatura.
EXPERIMENTA Sensación térmica 5. Para esta experiencia se necesitan tres vasos con la misma cantidad de agua a tres temperaturas distintas, una jarra vacía y un termómetro. 10 ºC
30 ºC
50 ºC
A
B
C
a) Introduce la mano en el vaso C y posteriormente en el vaso B. ¿Qué sensación has tenido, de frío o de calor? b) Introduce ahora la mano en el vaso A y luego en el vaso B. ¿Qué sensa ción has tenido esta vez? c) Mezcla en la jarra el contenido de los tres vasos. ¿Qué temperatura debería indicar el termómetro? d) Indica el sentido de las transferencias de energía que se han producido.
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6.1. Energía interna La teoría cinética de la materia enuncia que la materia está formada por partí culas que se encuentran en continuo movimiento caótico. ¿La energía está relacionada con ese movimiento?
PIENSA Y RAZONA
Te encuentras de pie y quieto. En esta situación, ¿tienes energía? Si la respues ta es afirmativa, ¿de qué tipo de energía se trata? Las partículas tienen masa y se mueven a una velocidad, por lo que llevan aso ciada una energía cinética. Existen fuerzas de interacción entre ellas, lo que implica que presentan energía potencial. La suma de ambas nos da una idea de la energía que posee esa materia. A esa energía se le llama la energía interna.
ENERGÍA 2.0 En esta página encontra rás una simulación con la que podrás compro bar cómo se relaciona la energía interna con el volumen de un gas ideal. goo.gl/Jdf5iD
La energía interna (U) es la energía que poseen todos los cuerpos por el simple hecho de ser materia.
Es imposible calcular la energía interna de una sustancia. Solamente podemos conocer sus variaciones, DU, la energía ganada. En ausencia de trabajo exter no, se puede afirmar que el calor es igual a la variación de energía interna. Si no hay trabajo externo Q = DU
Para distinguir entre calor absorbido y calor cedido, usamos un criterio de signos. Q < 0 ; calor cedido
Q > 0 ; calor absorbido
A. Temperatura La energía interna de una sustancia está relacionada con su temperatura. A mayor temperatura, mayor movimiento de las partículas, lo que se traduce en mayor energía cinética de las partículas y, por tanto, en mayor energía interna. La temperatura (T) es una magnitud que indica la «calidad» de la energía interna de una sustancia. Se mide en kelvin (K) en el SI.
Actualmente se utilizan tres unidades distintas para manejar la temperatura: celsius (ºC), kelvin (K) y fahrenheit (F). Sus conversiones son las siguientes: 9 · T(ºC) + 32 T(K) = T(ºC) + 273 ; T(ºF) = 5
ACTIVIDADES
34. ¿Por qué la temperatura se mide en kelvin en el SI? ¿Qué utilidad tiene esa unidad? Investiga sobre ello.
ENERGÍA 2.0 Conoce más sobre la temperatura. En este en lace encontrarás más in formación acerca de esta magnitud y sus diferen tes unidades de medida. goo.gl/be2x9g
UNIDAD 6
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IMPORTANTE Apliquemos nuestros co nocimientos. Un fuego se propaga de igual forma que el calor, por conduc ción, convección y radia ción. Por lo tanto, conocer las formas en las que un incendio puede propa garse puede ser de vital importancia a la hora de sofocarlo.
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UNIDAD 6
6.2. Propagación del calor El calor es una transferencia de energía, pero ¿cómo se produce esa transferencia? El calor se propaga de tres formas distintas: conducción, convección y radiación.
EL LABORATORIO EN EL AULA Conducción 2. Necesitamos varillas de distintos materia les: hierro, cobre, madera y aluminio. Se co locan en un recipiente que resista bien el calor y se le añade agua caliente. Al cabo de un tiempo, tocamos el extremo de la va rilla de cada material: ¿están calientes? ¿La sensación es diferente según el material? La conducción se produce por contacto y sin transporte de materia. Las mo léculas transmiten su energía de una a otra hasta que alcanzan el equilibrio. Es el mecanismo de propagación del calor característico de los sólidos.
EXPERIMENTA Convección 6. Corta una hoja de papel en peque ños trozos. Introdúcelos en un vaso con agua. Calienta el vaso y observa cómo se mueven los trozos de papel. ¿Cuál es la dirección de movimiento de los trozos de papel? En la convección se produce transferencia de materia. Se produce en los líquidos y gases. Al calentar, disminuye la densidad del fluido, que ascien de provocando un movimiento de descenso de las moléculas más frías (más densas) que se encuentran en la capa superior. A este movimiento de ascenso y descenso se le llama corriente de convección. Si encendemos una vela y aproximamos una mano notamos sensación de calor. El calor es capaz de transferirse aunque no exista contacto entre los cuerpos. La radiación es la propagación del calor sin que exista contacto entre los dos cuerpos. Se produce en el vacío. Todos los cuerpos emiten radiación.
ACTIVIDADES 35. Realiza un trabajo en vídeo en el que indiques el movimiento de las moléculas al calentar un cazo de metal que contenga agua.
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6.3. Efectos del calor El calor puede provocar distintos efectos, depende del material que utilicemos.
Tabla de datos
A. Variación de temperatura
ce (agua)
4 180 J · kg−1 · K−1
Un efecto del calor es la variación de temperatura que alcanza un objeto que aumenta o disminuye según tengamos aumento o disminución de energía.
ce (aire)
1 012,5 J · kg−1 · K−1
ce (hierro)
460 J · kg−1 · K−1
Podemos calcular matemáticamente la energía necesaria en forma de calor para provocar una variación de temperatura como:
ce (hielo)
2 090 J · kg−1 · K−1
ce (vapor de agua)
1 840 J · kg−1 · K−1
Lf (agua)
334,4 kJ · kg−1
Lv (agua)
2 245 kJ · kg−1
Q = m · ce · DT
Donde Q es la cantidad de calor, m, la masa, DT, la diferencia de temperatura y ce, una constante llamada calor específico, que se define como: El calor específico es la cantidad de calor que hemos de suministrar a 1 kg de una sustancia para que aumente su temperatura en un kelvin.
El calor específico tiene un valor diferente para cada sustancia. Nos muestra la capacidad que tiene una sustancia para absorber o ceder energía. Se mide en J · kg−1 · K−1 en el SI, aunque también se emplea con frecuencia cal · g−1 · ºC−1.
EXPERIMENTA Calor específico
7. Llena un globo de agua y ponlo encima de una vela, como en la figura. ¿Qué sucede? Explica el fenómeno basándote en los calores específicos.
EJEMPLO RESUELTO
12. Calcula la energía necesaria para aumentar la temperatura de 250 mL de agua desde 10 ºC hasta 50 ºC. Solución Sabemos que la densidad del agua a 4 ºC es de 1 g · mL−1. Asumiendo que se mantiene constante en el proceso: 1g 1 kg Q = m · ce · DT = 0,25 · 4 180 · (50 − 10) = 41 800 J · m = 250 mL · = 0,25 kg 1 mL 1 000 g
ACTIVIDADES
36. Calcula el calor necesario para elevar la temperatura de 300 g de acero inoxidable desde 280 K hasta 60 ºC. Dato: ce(acero): 510 J · kg−1 · K−1. 37. Un iglú es un refugio construido enteramente con nieve. En su interior, la temperatura es superior que en el exterior. Gracias a ello, se utiliza para cobijarse en lugares muy fríos. ¿Cómo puede ser posible esta diferencia de temperatura?
UNIDAD 6
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B. Equilibrio térmico
ENERGÍA 2.0
En el siguiente laborato rio virtual podrás realizar mezclas a distintas can tidades y distintas tem peraturas, comprobando cómo varía la temperatu ra de equilibrio. goo.gl/tdSyZW
Cuando ponemos en contacto dos cuerpos a distinta temperatura, el cuerpo de mayor temperatura cede energía al de menor temperatura. Pero ¿cuándo cesa este tránsito de energía?
EL LABORATORIO EN EL AULA Temperatura de equilibrio 3. Realiza las siguientes experiencias: a) Mezcla 200 mL de agua a 30 ºC con 200 mL de agua a 50 ºC. ¿Qué temperatura tiene la mezcla? ¿El valor de la temperatura es constante en el tiempo? b) Mezcla 200 mL de agua a 30 ºC con 400 mL de agua a 50 ºC. ¿Qué temperatura marca el termómetro? ¿A qué conclusión podemos llegar? Cuando ponemos en contacto dos cuerpos a distinta temperatura, el tránsito de energía será del cuerpo de mayor temperatura al cuerpo de menor tempe ratura hasta que las temperaturas de ambos se igualen. De esta manera se obtiene una temperatura final, llamada temperatura de equilibrio. A este su ceso se le denomina equilibrio térmico.
EJEMPLO RESUELTO
13. Mezclamos 250 g de agua a 80 ºC con 100 g de hierro a 20 ºC. ¿Cuál es la temperatura final de la mezcla? Solución Calculamos el valor del calor cedido por el agua líquida y absorbido por el hierro hasta que lleguen al equilibrio: Q (agua) = m · ce · DT = 0,25 · 4 180 · (Tf − 80) Q (hierro) = m · ce · DT = 0,1 · 460 · (Tf − 20)
Según el equilibro térmico, el cuerpo a mayor temperatura (el agua) le cede energía al cuerpo a menor tempera tura, el hierro, hasta que se alcance un valor constante de temperatura. Por tanto, la energía cedida por el cuer po más caliente debe ser igual a la energía captada por el cuerpo más frío. Una vez más, recurrimos al principio de conservación de la energía. Según el criterio de signos, un calor cedido se expresa como negativo, mientras que un calor absorbido se expre sa como positivo. Por lo tanto: Qcaliente + Qfrío = 0 0,25 · 4 180 · (Tf − 80) = −0,1 · 460 · (Tf − 20) Qcaliente = −Qfrío 0,25 · 4 180 · (Tf − 80) = 0,1 · 460 · (20 − Tf ) m · ce · DT = −m · ce · DT Tf = 77,47 ºC
202
UNIDAD 6
ACTIVIDADES 38. Mezclamos 500 g de agua a 30 ºC con 500 g de cobre a 50 ºC. Calcula la temperatura final de equilibrio. Dato: ce(cobre) = 390 J · kg−1 · K−1.
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C. Cambios de estado El calor no solo puede modificar la temperatura, también puede provocar cam bios de estado. Por ejemplo, si añadimos estaño caliente a alta temperatura en un vaso de agua, se producirá la emisión de vapor de agua. Para poder calcular el calor necesario para este caso recurrimos a la siguiente expresión: Q = m · L Siendo L el calor latente
El calor latente (L) se define como la energía requerida para que un kilo gramo de una sustancia cambie de estado. Se mide en J · kg−1 en el SI.
ENERGÍA 2.0 En el siguiente enlace se puede ver un vídeo en el que se explican paso a paso los diferentes cam bios de estado. goo.gl/VX1Pzv
Según el cambio de fase, tendremos calor latente de fusión (Lf ), calor latente de ebullición (Lv), etc. sublimación fusión
vaporización
Sólido
Líquido solidificación
Gaseoso condensación
sublimación inversa
EJEMPLO RESUELTO
14. Calcula el calor necesario para fundir 500 g de hielo a 0 ºC. Dato: Lf = 334 400 J · kg−1
RECUERDA
Solución Nos encontramos ante un cambio de fase, por lo que aplicamos la siguiente expresión: Q = m · Lf Sustituyendo valores en el SI: Q = 0,5 · 334 400 = 167 200 J
Aunque parecen simultá neos, no hay cambio de temperatura y cambio de estado a la vez. Son dos procesos diferentes.
ACTIVIDADES
39. Si partimos de la misma cantidad de hielo que de agua líquida, y pretendemos efectuar los correspondientes cambios de estado, con las temperaturas adecuadas, ¿en qué proceso necesitamos aplicar más energía, en la fusión o en la vaporización? ¿Qué dato necesitas observar para ello?
40. Calcula el calor necesario para cambiar a estado sólido 250 g de mercurio en estado líquido. Dato: Lf (mercurio) = 11 400 J · kg−1.
UNIDAD 6
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EJEMPLO RESUELTO
Temperatura (ºC)
15. Calentamos 100 g de hielo a −10 ºC hasta obtener vapor de agua a 160 ºC. Representa gráficamente los cambios de temperatura y cambios de estado ocurridos y calcula la cantidad de energía necesaria para realizar dicho proceso. Puedes encontrar los datos en la tabla del epígrafe 6.3. Solución La gráfica sería la siguiente. En ella podemos observar los cambios de estado producidos a 0 ºC y 100 ºC y cómo en ellos la temperatura permanece constante. Los valores de tiempo son aproximados. 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 –20 –40
Q5
Q4 Q3
Q1
0
Q2
5
10
15
20
25
30
35
Tiempo (minutos)
Los cambios de temperatura y los cambios de fase no ocurren simultáneamente. Tenemos así distintas etapas, cada una con su valor de calor necesario: HIELO −10 ºC
Q1
HIELO 0 ºC
Q2
AGUA 0 ºC
Q3
AGUA 100 ºC
Q4
VAPOR 100 ºC
Q5
VAPOR 160 ºC
Utilizamos una expresión distinta según tengamos cambio de temperatura o cambio de fase. Calculamos el valor del calor para cada etapa: Cambio de temperatura Q1 = m · ce(hielo) · DT = 0,1 · 2 090 (0 − (−10)) = 2 090 J Cambio de fase
Q2 = m · Lf = 0,1 · 334,4 · 103 = 33 440 J
Cambio de temperatura
Q3 = m · ce(agua) · DT = 0,1 · 4 180 · (100 − 0) = 41 800 J
Cambio de fase
Q4 = m · Lv = 0,1 · 2 245 · 103 = 224,500 J
Cambio de temperatura
Q5 = m · ce(vapor) · DT = 0,1 · 1 840 (160 − 100) = 11 040 J
La energía total necesaria será la suma de la energía de cada etapa: Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 = 307 870 J.
204
UNIDAD 6
ACTIVIDADES 41. Calcula el valor de energía necesario para transformar 600 g de agua líquida a 30 ºC en vapor de agua a 150 ºC.
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D. Dilatación El calor no solo es capaz de provocar un cambio de temperatura o un cambio de estado: también puede provocar el fenómeno de la dilatación. La dilatación es el aumento de longitud debido a un aporte de calor.
El aumento puede ser en las tres dimensiones. No obstante, atenderemos úni camente al aumento lineal, es decir, en una sola dimensión.
Valores de coeficientes dilatación lineal a (cobre)
1,7 · 10 −5 K−1
a (aluminio)
2,4 · 10 −5 K−1
a (hierro)
1,2 · 10 −5 K−1
Se puede calcular el aumento de longitud mediante la siguiente expresión matemática:
Dl = incremento a la izquierda de longitud ( l − l o).
Dl = l o · a · DT
l o = longitud inicial.
DT = incremento de temperatura.
a = coeficiente de dilatación lineal.
El coeficiente de dilatación lineal (K−1) es único para cada sustancia y nos mues tra la facilidad de dilatación de cada material.
EL LABORATORIO EN EL AULA Dilatación del cobre
4. Para esta práctica necesitamos un mechero Bunsen y un hilo de cobre de 15 a 20 cm de longitud. Mide la longitud inicial del cobre y, extremando las precauciones, calienta el hilo en la llama durante un tiempo. Al calentarse observarás que el cobre se ilumina. Con mucho cuidado, mide la longitud del hilo de cobre mientras esté caliente. a) ¿Cuál es la nueva longitud? b) Calcula el coeficiente de dilatación lineal del cobre con los datos obte nidos y compáralo con el valor real. Toma como temperatura inicial la del laboratorio y como temperatura final 1 500 ºC, que es la tempera tura aproximada de la llama.
ACTIVIDADES
42. Calcula el aumento de longitud que experimenta una lámina de cobre de 15 cm al aumentar su temperatura 30 ºC.
¿SABÍAS QUE...?
43. ¿Cuál será el coeficiente de dilatación lineal de un metal, sabiendo que la temperatura varía de 95 ºC a 20 ºC cuando un alambre de este metal pasa de 160 m a 159,82 m?
El fenómeno de la dilata ción es importante en las construcciones. En la construcción de grandes puentes metáli cos se añaden las juntas de dilatación.
44. Disponemos de dos metales, A y B, cuyos coeficientes de dilatación lineal son: a(A) = 23 · 10−6 K−1, a(B) = 9 · 10−6 K−1 ¿Cuál de los dos dilatará más fácilmente?
UNIDAD 6
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¿SABÍAS QUE...?
Un frigorífico es una má quina térmica que traba ja a la inversa. Para poder enfriar toma calor del foco frío y lo cede al foco caliente. Para ello es necesario un aporte de trabajo, W, conectándolo a la red eléctrica.
206
UNIDAD 6
7 Máquinas térmicas ¿Sabías que un coche y un frigorífico tienen algo en común? Ambos son ejem plos de máquinas térmicas. Las máquinas térmicas son dispositivos mecánicos que aprovechan una fuente de calor para realizar un trabajo mecánico. Pueden ser de combus tión externa o interna. Son los dispositivos que más han contribuido en el progreso del desarrollo tecnológico actual. Se han convertido en imprescindibles en muchos aspectos de la vida moderna, ya sea directa o indirectamente, facilitando y realizando tareas que hacen la vida más fácil.
EXPERIMENTA Fabrica tu propia máquina térmica 8. Llena una lata de refresco con un poco de agua. Haz dos orificios oblicuos en su pared lateral y tapa el orificio que tiene la lata por arriba. Calienta la lata, de tal manera que, cuando el agua entre en ebullición, el vapor formado salga por dichos orificios en chorros de sentidos contrarios y tangentes a la pared de la lata. Por último, cuelga la lata por medio de un hilo. ¿Realiza algún movimiento? Una máquina térmica funciona de la siguiente manera: Foco caliente (T1) Q1
La máquina toma una cantidad de calor, Q 1, de una fuente caliente a una temperatura T1. Máquina térmica
Cede una cantidad de energía en forma de calor, Q2, a un foco frío a la temperatura T2, siendo T2 < T1.
W = Q1 − Q2
Q2
Foco frío (T2)
Convierte parte del calor Q 1 en trabajo mecánico, W, que realiza la máquina.
El balance energético será el siguiente: Q1 = W + Q2 Operando llegamos a la expresión del trabajo.
ACTIVIDADES 45. Investiga sobre la evolución histórica de las máquinas térmicas y realiza un trabajo de investigación incidiendo en su repercusión en la sociedad.
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7.1. Máquina de combustión externa Desarrolladas a comienzos del siglo xix, las máquinas de combustión externa sirvieron como base para el desarrollo de la industria en Occidente, así como para la aparición de nuevos medios de transporte, como el tren y el barco a vapor. Las máquinas térmicas de combustión externa aprovechan la fuerza ex pansiva del vapor del agua generado en un foco emisor situado en el exterior de la propia máquina para realizar trabajo.
Un ejemplo es la máquina de vapor. Veamos un esquema de este tipo de máquinas.
1
2
Se calienta agua hasta ebullición lo que genera vapor de agua.
El vapor de agua empuja el pistón. Se produce un movimiento mecánico (trabajo) debido al movimiento del sistema biela-manivela en el interior de la máquina.
Pistón
Condensador Caldera
Máquina
Bomba
Calor
4
El vapor condensado es empujado por una bomba a la caldera reiniciándose así el ciclo.
3
El vapor más frío se condensa en un condensador.
ACTIVIDADES
46. Describe las distintas partes de una máquina de vapor. Indica su utilidad y función. 47. Actualmente el uso de las máquinas de vapor es bastante escaso. ¿Qué inconvenientes tiene este tipo de máquinas?
UNIDAD 6
207
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7.2. Máquina de combustión interna Las máquinas de combustión interna supusieron un gran avance respecto a las máquinas de vapor. El combustible es ahora quemado en el interior de la máquina, lo que disminuye los riesgos de dicha combustión y aumenta su rendimiento.
¿SABÍAS QUE...?
Los motores diésel y ga solina presentan grandes diferencias. Según el uso que se haga del vehículo, es recomendable uno u otro. En el siguiente ar tículo se resumen las di ferencias entre estos dos tipos de motores. goo.gl/Df3kMT
Las máquinas térmicas de combustión interna, o de explosión, aprove chan la fuerza expansiva de los gases de una reacción química dentro de la propia máquina para transformarla en trabajo. En función del combustible que utilicen, podemos encontrarnos dos tipos de motores para estas máquinas: • Motores Otto: el combustible es gasolina y la combustión es producida por una chispa. • Motores diésel: el combustible es gasóleo y la combustión es producida por una compresión. Veamos un ejemplo de motor de combustión interna.
1
3
Los gases producidos en la reacción química mueven el pistón.
En su momento de retroceso, el pistón empuja a los gases que, a través de la válvula de escape, van a la atmósfera por el tubo de escape del vehículo.
Válvula Bujía Bloque motor Pistón
Biela
Cigüeñal
208
UNIDAD 6
2
A través de la biela se hace girar el cigüeñal, que provoca un movimiento mecánico.
ACTIVIDADES 48. Dibuja en tu cuaderno un motor de combustión interna y señala sus distintas partes. Indica la utilidad de cada una de ellas.
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7.3. Rendimiento y degradación energética El objetivo de toda máquina térmica es transformar el calor en trabajo mecáni co, ¿qué pasaría si se perdiera energía en el proceso?
PIENSA Y RAZONA
Como hemos visto, el motor de un coche es un ejemplo de máquina térmica. Sabemos que al realizar un trayecto con un coche notamos como el capó está caliente. a) ¿De dónde procede esta energía? b) ¿Significa que el motor no funciona correctamente?
¿SABÍAS QUE...? La pérdida de energía por calor en los motores de los vehículos es algo inevitable. El calor generado por el motor consume al menos el 60% de la energía quí mica del combustible.
Las máquinas térmicas no producen mucho trabajo debido a que la mayor parte de la energía se desperdicia en calentar las piezas de la propia máquina. El rendimiento de una máquina térmica es el cociente entre el trabajo mecánico realizado y la energía tomada del foco caliente.
Se puede calcular el rendimiento en función de los calores o de las temperaturas: Q1: Calor recibido desde el foco caliente a temperatura T1 Q2: Calor recibido desde el foco frío a temperatura T2
R=
Q − Q2 W = 1 Q1 Q1 R=
T1 − T2 T1
EJEMPLO RESUELTO
16. Una máquina térmica que trabaja entre 240 ºC y 60 ºC toma 600 kJ por hora del foco caliente. Calcula: a ) El rendimiento de la máquina.
b ) La energía cedida al foco frío.
Solución a ) Para calcular el rendimiento, recurrimos a la expresión relacionada con las temperaturas: T −T 513 − 333 = 0,35 (35%) R= 1 2 = T1 = 240 + 273 = 513 K T2 = 60 + 273 = 333 K T1 513 b ) Recurrimos a la otra expresión del rendimiento. Puesto que sabemos su valor, despejamos el valor de Q2 (energía cedida al foco frío): 600 − Q2 Q − Q2 R= 1 0,35 = Q2= 390 kJ 600 Q1
ACTIVIDADES
49. Se aportan 320 kJ cada minuto a una máquina térmica cuyo rendimiento es del 18%. Calcula el trabajo realizado en una hora.
UNIDAD 6
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MAPA CONCEPTUAL
Energía mecánica
Propiedades ENERGÍA
Trabajo
Copia el esquema en tu cuaderno y complétalo con los siguientes términos: • Ec, Ep • Máquinas térmicas • Dilatación • Calor específico • Calor latente
Conservación Calor
MIRA A TU ALREDEDOR
La batería que se carga en dos minutos
La batería se ha convertido en ese elemento de nues tras vidas que resulta tan indispensable como frus trante. No en vano, su duración se ha convertido en uno de los principales motivos de queja en todo tipo de productos electrónicos. Y, con terminales cada vez más finos y ligeros, la solución no parece sencilla. Pero Huawei® asegura haber dado con ella. No dejan de ser baterías de litio convencionales, pero la diferencia estriba en una de esas microinnovaciones que caracterizan a las marcas chinas: «Hemos conse guido encadenar heteroátomos a la molécula del gra fito en el ánodo, lo cual sirve para catalizar la captura y la transmisión del litio a través de los enlaces de carbono, eso redunda en una carga más rápida». Lo que se logra es cargar la batería hasta diez veces más rápido. Una de las dos nuevas versiones logra cargar hasta el 48% de sus 3 000 mAh en solo cinco minutos. Con esa carga, la marca china asegura que se pueden hacer 10 horas de llamadas. La otra batería, de 600 mAh, se carga al 68% en dos minutos. Huawei® afirma que ambas baterías ya han pasado todos los controles de calidad y están listas para ser comercializadas con los nuevos aparatos de la marca. Hauwei® afirma: «Destinamos grandes medios a la innovación, porque estamos convencidos de que es la única forma de que las empresas chinas se pongan a la altura de las mejores del mundo y co miencen a llevar la delantera». www.tecnologia.elpais.com, 19/11/2015
Cuestiones a) ¿Cómo consigue Huawei® acelerar la carga de la batería? b) Investiga cuál es el tiempo medio de carga de una batería. ¿Es mayor que el que ofrece Huawei®? c) La unidad empleada en las baterías es mAh. ¿Qué expresa esta unidad? ¿De qué magnitud se trata?
210
UNIDAD 6
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PRÁCTICA DE LABORATORIO
Determinación del calor específico de un objeto Objetivo El calor específico de un cuerpo indica su facilidad para cambiar su tempera tura. Vamos a calcular de forma experimental el calor específico del etanol. Material • Calorímetro • Balanza
• Termómetro • Etanol
• Probeta • Agua
Montaje Realiza el montaje como aparece en la figura. Conocimientos previos Cuando ponemos en contacto dos cuerpos a distinta temperatura, el cuerpo de mayor temperatura le cede energía al de menor temperatura hasta alcanzar un valor de equilibrio. El calor cedido es el mismo que el absorbido, pero de distinto signo según el criterio de signos. Mezclamos un fluido caliente (agua) en un calorímetro con un fluido frío (etanol). El calor cedido por el cuerpo caliente se repartirá entre el calorímetro y el etanol. Qcedido = −Qabsorbido ; Qfluido caliente = −(Qfluido frío + Qcalorímetro) m1 · ce(agua) · (Te − T1) = −(m2 · ce(etanol) · (Te − T2) + mc · cc · (Te − T2) ) Procedimiento Primero necesitamos determinar el calor específico del calorímetro, cc. 6. Verter el agua fría en el calorímetro, 1. Determinar la masa del calorímetro mc. 2. Calentar agua hasta unos 80 ºC. tapar y medir la temperatura de equi 3. Pesar unos 100 g de agua caliente y anotar su ma librio Te. sa m2. Conviene pesarla en el mismo calorímetro. 7. Se aplica la ecuación, donde la única incógnita es cc 4. Medir la temperatura del agua caliente T2. 5. Pesar unos 100 g de agua fría, anotar su masa m1 m1 · ce(agua) · (Te − T1) = −(m2· ce(agua) · y medir su temperatura T1. · (Te − T2) + mc· cc · (Te − T2) ) Determinar el calor específico del metal. • Se realiza el mismo procedimiento experimental que para el calorímetro con la salvedad de que el fluido frío será el etanol. En el paso 5 sustituimos los 100 g de agua fría por 100 g de etanol. • Al sustituir en la ecuación, la única incógnita será ce(etanol). • m1 · ce(etanol) · (Te − T1) = − (m2 · ce(agua) · (Te − T2) + mc · cc · (Te − T2) ) Tarea 1. Calcula el calor específico del calorímetro y del etanol. Busca ce(etanol) y compáralo con tu resultado. 2. Desarrolla otro procedimiento para hallar el calor específico del etanol. Puedes usar otros ma teriales si fuera preciso. 3. Si no incluyésemos el calor absorbido por el calorímetro en el procedimiento, ¿obtendríamos un buen resultado? Justifica tu respuesta. 4. A partir de los datos del calor específico, justifica si el etanol es mejor refrigerante que el agua.
UNIDAD 6
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ACTIVIDADES FINALES
Actividades básicas 1. Indica en cuáles de las siguientes situaciones se realiza trabajo: a) Apoyarse en un coche. b) Mover un objeto horizontalmente. c) Frotarse las manos repetidamente. d) Fundir un bloque de hielo.
2. Desde una altura de 50 m se deja caer un objeto. Utilizando el principio de conservación de la energía, calcula la velocidad con la que impactará en el suelo.
3. Al producirse un cambio de estado, la tempe ratura no cambia. Explica este fenómeno.
4. Mezclamos 500 g de agua a 20 ºC con 800 g de agua a 80 ºC. Calcula la temperatura de la mezcla. 5. Realiza los siguientes cambios: a) 1 500 cal a J c) 3,2 kWh a J
b) 2 500 kW a CV d) 1 kWh a cal
6. ¿Qué energía poseerá un cuerpo que pesa 2 500 g si cae libremente desde 12 m de altura cuando llegue a tierra? 7. Mezclamos 600 g de agua a 20 ºC con 500 g de alcohol a 80 ºC. Calcula la temperatura de la mezcla. Datos: ce(agua): 4 180 J · kg−1 · ºC −1 , ce(alcohol): 2 500 J · kg−1 · ºC−1.
8. Calcula la energía que consume una bombilla de 100 W si se mantiene encendida durante una hora. 9. Averigua la cantidad de trabajo que se necesita para desplazar horizontalmente el siguiente objeto una distancia de 120 cm.
212
UNIDAD 6
F = 20 N
175 g
α = 30°
10. Calcula la energía cinética de un vehículo de 1 000 kg de masa que circula a una velocidad de 120 km · h−1. 11. Un termo, cuya masa es de 400 g, está ini cialmente a 20 ºC. Cuando se le añaden 20 g de agua a 100 ºC alcanza una tempera tura de 40 ºC. Calcula el calor específico del material del que está hecho el termo. Datos: ce(agua): 4 180 J · kg−1 · K−1. 12. Un cuerpo de 100 g de masa está sujeto a un muelle y apoyado sobre un plano horizontal. La constante elástica del muelle es 200 N · m−1. Separamos el conjunto 10 cm de la posición de equilibrio y lo soltamos. a) ¿Cuál es la energía potencial inicial del cuerpo? b) Suponiendo nulo el rozamiento, calcula la velocidad con la que saldrá disparado el muelle. 13. Calcula la velocidad que habría que co municar a un proyectil de 3 kg para que tu viera la misma energía cinética que un tractor de 3 toneladas que avanza a una velocidad de 10 km · h−1. 14. Un cuerpo de cierta masa está en reposo a una altura determinada y se deja caer libre mente. a) ¿Qué tipo de energía tiene cuando está en reposo a una altura determinada? b) ¿Qué ocurre con la energía cinética durante la caída? c) ¿Qué tipo de energía tiene cuando llega al suelo? 15. Un máquina térmica toma 30 000 J de un foco caliente y realiza un trabajo de 12 000 J. a) Realiza un esquema de la máquina térmica. b) Calcula su rendimiento. 16. Calcula la dilatación de una barra de aluminio de 8 m cuando sufre un incremento de tem peratura de 25 ºC. Coeficiente de dilatación lineal del aluminio = 2,4 · 10−5 · K−1.
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Actividades de consolidación 17. Compara los valores del calor específico del agua y del hielo. ¿Qué consecuencias pue des deducir de que el valor sea más alto para el agua que para el hielo? Datos: ce(agua): 4 180 J · kg · ºC −1, ce (hielo): 2 090 J · kg · ºC −1.
18. Calcula la energía que se necesita para evapo rar completamente un cubito de hielo de 50 g que se encuentra a −10 ºC. Datos: Lf : 334,4 kJ · · kg−1, Lv: 2 245 kJ · kg−1. 19. Un coche tiene una potencia de 90 CV. Se pone en marcha y acelera durante 12 s. a) Calcula el trabajo que realiza el motor. b) Calcula la masa del vehículo si en ese tiempo ha adquirido una velocidad de 30 m · s−1.
20. Se calienta un trozo de hielo de 250 g de masa, que se encuentra a −20 ºC, hasta trans formarlo en vapor de agua a 110 ºC. ¿Qué cantidad de energía se necesita para desarro llar todo el proceso? Busca los valores de ce y calor latente en la tabla del epígrafe 6.3. 21. Determina la potencia (en CV) de un motor que eleva 100 000 L de agua por hora de un pozo de 60 m de profundidad.
22. La velocidad mínima para que despegue un avión es de 144 km · h−1 si su peso es de 15 000 kg y se dispone de una pista de 1 000 m. Averigua la potencia instantánea en W y en CV que debe desarrollar el motor para que el avión despegue.
Actividades avanzadas 23. Desde una altura h0 dejamos caer un cuerpo. Averigua en qué punto de su recorrido se 1 cumple que Ec = ·E . 4 p 24. Un frigorífico es un ejemplo de máquina tér mica que trabaja a la inversa. Realiza una pre sentación indicando cómo es su funciona miento y cuál es su rendimiento. 25. Disparamos un proyectil de aluminio de 150 g de masa sobre un bloque de hielo que se encuentra a una temperatura de 0 ºC. El proyectil impacta en el bloque a 100 m · s −1 . Si toda la energía cinética se convierte en calor, ¿cuánto hielo se derrite? Considera que todo el calor aportado se utiliza para derretir el hielo. Datos: Lf: 334,4 kJ · kg−1. 26. Halla el coeficiente lineal de un metal, sabiendo que una viga de 50 m a 20 ºC aumenta su longitud 3,5 cm cuando está a 80 ºC. ¿Qué metal es? 27. Se aportan 400 kJ por minuto a una máquina térmica que tiene un rendimiento del 29%. Calcula: a) El trabajo mecánico realizado por la máquina. b) La energía desperdiciada por minuto. c) La potencia de la máquina en kW. 28. Realiza un trabajo para responder a las siguien tes cuestiones: a) Indica qué tipo de energía se aprove cha para producir las siguientes ener gías re novables: energía solar térmica, energía solar fotovoltaica, energía eólica y energía mareomotriz. b) Explica qué transformación energética se realiza en cada caso para su uso. c) Indica qué tipo de energía se utiliza para el transporte y almacenamiento de la energía almacenada en cada caso. d) Según los datos obtenidos, ¿qué tipo de energía es más fácil de almacenar y trans portar?
UNIDAD 6
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PON EN MARCHA TUS HABILIDADES
Casa de bajo consumo Existe un creciente interés en todo el mundo por la construcción de casas de bajo consumo. Al reducir el consumo de energía, los propieta rios ahorran dinero y disminuyen las emisiones de gases de efecto invernadero a la atmósfera. Los arquitectos usan simulaciones para investi gar qué efectos tendrán en el consumo de energía las decisiones que toman cuando dise ñan una casa. Existe una gran multitud de facto res para tener en cuenta en la búsqueda de un consumo energético bajo.
b) Ordena de forma decreciente el gasto energético que tendría la casa según el color del tejado.
Pregunta 2 Nos encontramos ahora en una zona con tem peraturas exteriores que rondan los 10 ºC. Nos interesa conocer qué color de los tres ci tados anteriormente provocará un mayor gas to de energía en calefacción.
b) Ordena de forma decreciente el gasto de energía según el color.
Pregunta 3
El color del tejado de la vivienda es un factor importante para aumentar el ahorro ener gético. Se van a construir algunas casas en una zona con un clima muy caluroso, con temperaturas exteriores que suelen superar los 40 ºC. Dis ponemos de tres colores diferentes para el te jado: blanco, negro y rojo.
UNIDAD 6
a) ¿Por qué el color es un efecto importante en el ahorro energético?
a) Indica qué color del tejado sería el más adecuado bajo esta condición de tempera tura.
Pregunta 1
214
En base a la tabla anterior, responde a las si guientes preguntas:
T exterior (ºC)
Color
Consumo energía (vatio-hora)
40
Blanco
4 390
40
Rojo
5 830
40
Negro
6 630
Otro factor importante es la diferencia entre la temperatura exterior y la temperatura interior de la casa. Se alcanzan gastos de consumo in feriores en zonas con poco contraste térmico. Justifica cuál de las siguientes afirmaciones es la correcta: a) Cuando aumenta la temperatura exterior, también aumenta el consumo de energía, sea cual sea el color del tejado. b) Cuando disminuye la temperatura exterior, aumenta el consumo de energía, sea cual sea el color del tejado. c) Cuando aumenta la diferencia entre la tem peratura exterior y la temperatura interior, aumenta el consumo de energía, sea cual sea el color del tejado.
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Construye tu propio colector solar
Tarea competencial
Objetivo El ahorro energético y el aprovechamiento de las energías renovables caminan de la mano. Muchos avances tecnológicos se fundamentan en aprovechar de una manera cada vez más efi caz las energías que nos brinda la naturaleza. Comprenderás que en ocasiones el ahorro no necesita una gran inversión económica, como en este caso. Vamos a construir un sencillo colector solar que nos servirá para calentar agua aprove chando la energía procedente del Sol. Necesitamos: una caja de zapatos, cartulina negra o bien pintura negra, papel de aluminio, un trozo de cristal o plástico y un termómetro.
Producto final Aunque existen muchas posibilidades a la hora de poder realizar esta tarea, te proponemos que realices un montaje en vídeo de todos los pasos que has seguido en la construcción de un colector solar. Presenta dicho montaje en clase y explica cómo lo has realizado. Tu misión no es solo exponerlo, sino convencer al públi co de la utilidad de tu colector.
a
b
2. Para hacer la tapa, recorta un rectángulo de cartón con las siguientes dimensiones: un lado debe tener la longitud mayor de la caja (b) más 2 cm, y el otro, la longitud menor de la caja (a). Luego, recorta un marco de unos 3 cm de ancho a la tapa que acabas de preparar. Pega en el marco un cristal fino o un plástico transparente. 3. Forra el exterior de la caja con cartulina negra o píntala de color negro. Forra el interior con papel de aluminio. 4. Une la tapa a la caja con cinta adhesiva a modo de bisagra, de forma se pueda subir y bajar.
Pasos que debes realizar 1. Recorta la caja de zapatos de la siguiente manera:
5. Llena con agua dos vasos y mide su tempera tura. Introduce uno de ellos en el colector. Deja tanto el colector con el vaso dentro como el otro vaso expuestos al Sol. Mide la tempe ratura en intervalos de 2 min. Con una hoja de cálculo realiza una gráfica t-T. ¿Son iguales las temperaturas de los dos vasos? 6. Realiza un montaje en vídeo de todos los pa sos que has realizado. Incluye también una presentación explicando el funcionamiento de un colector solar como el que has hecho.
UNIDAD 6
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Una nueva forma de leer... Una nueva forma de aprender
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SmartBook® es la primera y única experiencia de lectura y aprendizaje adaptativo diseñada para cambiar la forma en la que los estudiantes leen y aprenden, rompiendo con el camino lineal de los libros de texto tradicionales y adaptándose a las necesidades y al ritmo de cada estudiante.
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SmartBook®
¿Qué es? SmartBook® es una herramienta de aprendizaje adaptativo que combina una revolucionaria tecnología desarrollada por McGraw-Hill Education con un libro digital interactivo. SmartBook® analiza la forma en la que lee y aprende el estudiante y, en función de sus respuestas a preguntas sobre lo estudiado y la seguridad sobre sus conocimientos, le va guiando a través de los contenidos del libro, de una manera personalizada y adaptada a su propio ritmo de aprendizaje, para que cada minuto que pasa el alumno estudiando sea lo más efectivo posible.
¿Cómo funciona? SmartBook® consta de varias fases:
Lee En la fase de lectura, el estudiante es guiado a través del texto para que lea de una manera adaptada a sus necesidades. En SmartBook® el estudiante tiene acceso al texto completo, pero se le mostrarán áreas resaltadas en amarillo que indican el contenido en el que debería centrar su estudio en ese momento concreto. Las áreas resaltadas del texto van variando en función de sus respuestas en la parte práctica, subrayando nuevos temas y conceptos de más nivel, una vez que el estudiante ha demostrado el dominio de los conceptos esenciales del tema.
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Practica En la fase de práctica, los estudiantes afianzan lo aprendido hasta el momento realizando una serie de actividades de diversa tipología. Antes de responder, se pedirá al estudiante que evalúe el grado de seguridad sobre sus conocimientos: Sé la respuesta
Eso creo
No estoy seguro
Ni idea
En función de las respuestas a esas preguntas, el grado de seguridad que establezcan y otros datos que va recogiendo el sistema mientras los estudiantes trabajan, SmartBook® irá ajustando el camino de aprendizaje de cada estudiante adaptándolo a su ritmo y necesidades y determinando cuál será la siguiente pregunta.
Lee
Practica
De vuelta en la fase Lee, el estudiante se encontrará con nuevas partes del texto resaltadas en amarillo, que indican el nuevo contenido a estudiar, y otras resaltadas en verde, que son los temas o conceptos que el estudiante ha demostrado que domina al responder correctamente a las preguntas en la fase de práctica. Subrayado amarillo: muestra el contenido que es importante para el estudiante en este momento. Subrayado verde: muestra el contenido que el estudiante ha demostrado que domina realizando preguntas en la fase de práctica. La mejor manera de estudiar con SmartBook® es ir pasando de una fase a otra hasta completar la unidad. La propia herramienta ayudará al estudiante a identificar cuándo ha llegado el momento de cambiar de fase.
Repasa Para asegurar el dominio de los temas y la retención a largo plazo de los conceptos aprendidos, en esta fase el estudiante repasa en forma de actividades el contenido importante que el sistema ha identificado que es más probable que olvide.
Informes
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Informes completos sobre el progreso del curso Profesor
Los informes del profesor le permiten conocer en tiempo real las fortalezas y las debilidades de sus alumnos de manera individual y a nivel global, y adaptar así sus clases y tutorías.
Estudiante Los informes del estudiante proporcionan detalles sobre su progreso, sobre los temas que domina y los que necesita estudiar más, para que pueda maximizar su tiempo de estudio.
Beneficios
Todo son ventajas Para el profesor:
Para el estudiante:
• Mejora la calidad y la productividad de las clases.
• Ofrece el contenido adecuado para cada estudiante en el
• Facilita la adaptación de las clases al nivel y necesidades de los alumnos.
• Ayuda a prevenir el posible fracaso escolar y a remediarlo antes de que ocurra.
• Mejora el rendimiento de los alumnos y su nivel de notas.
momento preciso para maximizar el tiempo de estudio.
• Excelente preparación para clase y para los exámenes. • Ayuda a retener conceptos clave a largo plazo. • Ayuda a conseguir mejores notas. • Herramienta online: sin descargas, sin necesidad de grabar el progreso.
• Acceso en cualquier momento a través de una conexión a Internet y desde múltiples dispositivos.
• Interfaz intuitiva y atractiva. • Es divertido, porque permite competir con otros usuarios.
Integra SmartBook® en tu curso
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La mejor manera de sacar el máximo provecho a las ventajas de SmartBook® es crear una clase a la que se apuntarán tus alumnos. Los estudiantes pueden trabajar independientemente o asociados a tu clase, pero la experiencia es mucho más positiva y productiva si se integra SmartBook® como una parte más de la asignatura. Te damos algunas opciones o ideas:
... ... antes de ir a clase Puedes decir a tus alumnos que estudien con SmartBook® antes de ir a clase. Así, podrás basar tus clases en los datos que obtengas con la herramienta.
... como deberes Puedes presentar el contenido en clase y después, a modo de deberes, decirles que estudien el tema con SmartBook®. Posteriormente, en función de los datos que obtengas sobre el progreso, las fortalezas y las debilidades de tus alumnos, podrás reforzar ciertos contenidos y hacer un seguimiento general e individual de lo que realmente se ha aprendido.
... antes del examen Puedes dar la unidad completa y recomendar a tus alumnos que utilicen SmartBook® para preparar el examen. Si tienen examen de final de curso, recuerda a tus alumnos que utilicen regularmente la fase Repasa para estar preparados cuando llegue el gran día.
Si tus alumnos tienen dificultades para acceder a Internet, una buena solución puede ser dedicar periódicamente tiempo de clase a SmartBook® en el aula de informática.
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