Bloque 1Electricidad y magnetismoTema 1. ElectricidadCampo Eléctrico¿Qué es la diferencia de potencial?Capacitores¿Qué es la corriente eléctrica?¿De qué se trata la ley de Ohm?Potencia eléctricaCircuitos eléctricos Circuito serie Circuito paraleloMagnetismo

Tema 2: Circuitos magnéticosEl galvanómetro

Tema 3: Inducción electromagnéticaInducción electromagnética

Tema 4: Generadores y motores eléctricos¿Cómo funciona un motor eléctrico?

Tema 5: Corriente alternaCorriente alternaLaboratorio_ Ley de OhmEvaluación de bloque

Bloque 2 Calor y temperatura: ¿son conceptos análogos?Tema 1: TemperaturaTemperaturaEscalas de temperatura¿Qué es la dilatación térmica?CalorCalor específicoCalor latenteTransmisión de calor

Tema 2: Termodinámica¿Qué es la termodinámica? Proceso isobárico Proceso isocórico Proceso isotérmico Proceso adiabáticoMáquinas térmicasLaboratorio: Cambios de estadoEvaluación de bloque

Bloque 3Estados de la materia, propiedades y comportamientoTema 1: El estado gaseoso

678111214181921212224

2526

3031

3334

35363840

42

4344444752535761

646567676868697476

7879

Ecuación de gas idealRelación entre la presión, el número de moléculas y temperatura de un gas

Tema 3: Estequiometria con gases Gases realesGases idealesLey de los gases ideales modificadaLey de Dalton o de las presiones parciales Presión de vapor del agua a varias temperaturasCálculos y reacciones con gasesLey de AvogadroRelaciones estequiométricas con gases

Tema 4: SolucionesEl estado líquido Propiedades de los líquidosAlcance a los conceptos de vaporización y condensaciónAgua, el solvente más comúnComposición de las solucionesDisoluciónFactores que modifican la solubilidad de las sustanciasTipos de solucionesPropiedades coligativas de las soluciones

Tema 5: Concentración de las solucionesSoluciones diluidas y saturadasConcentración en porcentajesNormalidadMolalidadFracción molarLaboratorio: Producción de oxígeno gasEvaluación de bloque

Bloque 4Ácidos, bases y salesTema 1: Propiedades de los ácidos y las bases¡Qué diferencias existen entre un ácido y una base? Ácidos y bases según Bronstead y Lowry Ácidos y bases según Lewis Tipos de ácidos Ácidos y bases fuertes y débilesReacciones de los ácidos Reacción con metales que se encuentran sobre el hidrógeno en la serie de reactividad.Reacciones de las bases.

Tema 2: Formación de salesReacción de neutralizaciónObtención de sales en el laboratorio A partir de una reacción de síntesis entre un metal y un no metal A partir de una reacción entre un óxido metálico y un óxido no metálico

8890

939494949595969698

99100100101101102103104104105

106107108110110110112114

116117118118119120120122122

123

125126127127127

127

Tema 3: Disociación e ionizaciónElectrolitos y no electrolitosConductividadElectrolitos fuertes y débilesMicrolaboratorio_ Determinación de la conductividadIonización y disociaciónAplicaciones que utilizan ionesIonización de aguaFuerza de los ácidos y basespHpOHRelaciones entre (H+), (OH-), pH y pOHpH de soluciones salinas Sal de ácido y base fuerte Sal de ácido fuerte y base débil Sal de ácido débil y base fuerteSoluciones amortiguadorasImportancia de las soluciones amortiguadorasLaboratorio: Identificación de sustancias ácidas y básicas por medio de indicadoresEvaluación de bloque

Bloque 5:Equilibrio químico y velocidad de una reacciónTema 1: Equilibrio químico y velocidad de reacciónReacciones irreversiblesReacciones reversiblesVelocidad de la reacciónDeterminación de la velocidad de reacciónTeoría de colisionesFactores que afectan la velocidad de las reacciones Concentración Temperatura Tamaño de la partícula y superficie de contacto Catalizadores e inhibidoresMecanismos de reacciónCatalizadores Aplicación de la catálisisEquilibrio químico Sistemas físicos Sistemas químicosPrincipio de Le ChatellerFactores que afectan el equilibrio Cambios en la concentración Cambios en la presión Cambios en la temperaturaEfecto de un catalizadorMicrolaboratorio: Principio de Le ChatelierConstante de equilibrio

133134134135136138139140142142142143145145145145146146148

150

152

153

154155156156157158158158159159159162163166167167167168168169170171172174175

Sales de ácido fuerte y base débil Sales de ácido débil y base fuerte Sales de ácido débil y base débilSoluciones amortiguadorasEfecto de ion comúnControl de pH Soluciones amortiguadoras ácidas Soluciones amortiguadoras básicasFactores que influencian el comportamiento de las soluciones amortiguadoras Disolución TemperaturaLaboratorio: Efecto de la superficie de contacto y la temperatura en la velocidad de disoluciónEvaluación de bloque

Bloque 6Proceso de transferencia de electronesTema 1: Procesos de oxidación y reducciónNúmeros de oxidaciónOxidación y reducciónAgentes oxidantes y reductoresPrincipales agentes oxidantes y reductoresMicrolaboratorio:

Tema 2: Ecuaciones químicas de oxidación y reducciónSemirreaccionesBalanceo de ecuaciones de oxidación y reducciónMétodo de ion electrónMétodo de oxidación y reducciónAgentes oxidantes y reductores en la vida cotidiana Blanqueadores de ropa Blanqueadores industriales Antisépticos y desinfectantes Sulfuro de hidrógeno (H2S)

Tema 3: Reacciones de oxidación y reducción con metalesReactividad Metales activos como agentes reductores No metales reactivos como agentes oxidantesSerie de actividad o reactividadMicrolaboratorio: Serie de reactividad experimental

Tema 4: Celdas Volráicas y electroíticaCeldas electroquímicasCelda galvánica o voltaicaVoltaje de la pilasPotenciales de electrodo estándarPilas secasAcumulador de automóvilCeldas electrolíticasRefinación del cobre

180181181182182182182183183

183183184186

188

189190192194194196

197199200200202204204204204204

205206206207208211

212213213214214215215216216216

Factores que afectan el valor de la constante de equilibrio Temperatura Cambios en la presión Cambios en la temperaturaAdición de catalizadorConstante de ionizaciónConstante de producto de solubilidad

Tema2: Soluciones amortiguadorasHidrólisis de sales Sales formadas por un ácido y una base fuertes

175175176176177178

179180180

Producción de aluminioRecubrimiento metálicoContaminación del aireLaboratorio: Pilas voltaicas y electrolíticasEvaluación de bloque

218219220222

Electricidad y magnetismo

Eje curricular integrador

Comprender los fenómenos físicos y químicos como procesos complementarios e integrados al mundo natural y tecnológico.

Ejes del aprendizaje

Reconocimiento de situaciones o cuestiones científicamente investigables.Identificación de la evidencia en una investigación científica. Formulación o evaluación de conclusiones.Comunicación de conclusiones válidas.Demostración de comprensión de conceptos científicos.

Ruta de aprendizaje

Bloque 1

Electricidad y magnetismo

Electricidad Circuitos magnéticos

Galvanómetro

Inducción

electromagnética

Generadores

y motores

Corriente alterna

Indicadores esenciales de evaluación

Define el concepto "corriente eléctrica", sus conceptos y leyes asociados; indica la dirección de dicha corriente, analiza y soluciona ejercicios sobre el tema. Establece las relaciones entre la corriente eléctrica; resuelve situaciones problemáticas cotidianas en las que se evidencie esta relación. Define a un superconductor, establece sus características y los asocia con situaciones de la vida diaria. Representa y arma resistores en serie y paralelo, determina sus características y realiza cálculos en situaciones diversas. Demuestra la correcta utilización de un galvanómetro, amperímetro y voltímetro en procesos de medición. Define un generador y un motor eléctrico; establece sus diferencias más notables; realiza las consideraciones cuantitativas pertinentes y resuelve exitosa-mente ejercicios de aplicación. Explica las leyes de Faraday de la electrólisis y el equivalente electroquímico de una sustancia. Define una fuente de fem y determina cuantitativamente la fem inducida en un conductor móvil. Establece las leyes de Lenz y de Faraday que rigen el proceso de la inducción electromagnética y las aplica en la resolución efectiva de ejercicios. Integra y contextualiza los conceptos relacionados con la autoinducción e inducción mutua, y resuelve con probidad ejercicios al respecto.

Campo eléctrico

Diferencia de potencial

Corriente eléctrica

Galvanómetro

Serie Paralelo

Establece e integra los conceptos relacionados con los circuitos de corriente alterna y demuestra probidad en la resolución de ejercicios de aplicación.

Tema 1. Electricidad

Destrezas con criterios de desempeño. Relacionar la electricidad con el magnetismo a partir de la descripción de los flujos de electrones, la corriente eléctrica, la explicación e interpretación de la ley de Ohm, la resistencia y los circuitos eléctricos, la electrólisis, el entramado existente entre energía, calor y potencia eléctrica y el análisis de los campos magnéticos generados por una corriente eléctrica o por un imán.

Activo mis conocimientos previos. ¿Qué sucede cuando una descarga eléctrica recorre tu cuerpo? ¿Por qué es peligroso manipular aparatos eléctricos cuando estás mojado? ¿Qué determina que un objeto sea aislante o conductor? ¿Cuál es la relación existente entre electricidad y magnetismo?

Analizo la situación problema

Muchos de los artefactos, dispositivos o instrumentos de los cuales hacemos uso a diario, requieren de energía eléctrica para poder operar. Esta energía podría obtenerse de la red eléctrica que abastece nuestros hogares o de otras fuentes como pilas y baterías que permiten a los objetos operar de manera portátil. Seguramente en alguna ocasión debes haber sentido un "hormigueo" en el cuerpo cuando has tocado algún objeto, tal como una puerta, un poste o a veces incluso sucede cuando tocas a otra persona. Te has preguntado ¿por qué sucede esto?, ¿qué es lo que circula por tu cuerpo?, ¿qué cuidados se requieren frente a ello? Debes saber que la carga eléctrica generalmente puede almacenarse en los objetos, y cuando existe la oportunidad de que esa carga abandone el cuerpo lo hace provocando diversos efectos dependiendo, entre otras cosas, de cuán grande sea su valor. En el caso de que sea una persona quien contacta de manera voluntaria o accidental estos objetos cargados, la carga eléctrica presente atraviesa el cuerpo provocando una sensación de "hormigueo" que generalmente ocasiona un gran susto. La facilidad de conducción de la carga en los cuerpos depende de varias propiedades. Por ejemplo, el cuerpo humano presenta un comportamiento distinto cuando se encuentra seco o húmedo, siendo particularmente conductor al encontrarse mojado, ya que el agua actúa como un excelente portador de cargas. A su vez los efectos magnéticos son una propiedad que no solo se remite a los imanes, sino que también aparecen cuando existe corriente eléctrica, lo cual explica la estrecha relación que da lugar al electromagnetismo.

Reflexiono

1. Realiza un listado de los instrumentos o artefactos que más utilizas a diario y reconoce de dónde proviene la energía que requieren para su funcionamiento.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. Señala alguna(s) experiencia(s) en la(s) que hayas experimentado algún tipo de descarga eléctrica.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3. Enumera al menos tres ejemplos de materiales conductores de electricidad y tres ejemplos de aislantes eléctricos que conozcas.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Campo eléctrico

Al final del año pasado seguramente revisaste en la asignatura de Física las cargas eléctricas y la fuerza que existe entre ellas. Debes saber entonces que cargas eléctricas de diferente signo se atraen entre sí, mientras que car-gas del mismo signo se repelen. Para cuantificar dicha fuerza se hacía uso de la relación conocida con el nombre de Ley de Coulomb, ¿lo recuerdas?

F=k Q1Q2

r 2

En la expresión anterior Q1 y Q2 representan a los valores de las cargas eléctricas: r es la distancia

que separa a las cargas y k es la constante dieléctrica del vacío que tiene un valor de 9.0 x109 Nm2

C2

.

Para comprender el concepto de campo eléctrico, puedes partir haciendo una analogía con el campo gravitacional que nos resulta más familiar. Así como alrededor de nuestro planeta existe un efecto de atracción sobre otros cuerpos, propiciado por el efecto de un campo gravitacional propio de la Tierra, las cargas eléctricas generan un efecto similar pero de otra naturaleza, en donde los signos de las cargas definen la dirección del campo generado y con ello efectos de atracción o repulsión.

Todo campo, sea este gravitacional o eléctrico, tiene una intensidad que depende de la fuerza que puede realizar el campo sobre una masa o sobre una carga eléctrica, respectivamente, dispuestas en su interior. La dirección del campo eléctrico, a diferencia del gravitacional que solo admite una interacción atractiva entre masas, puede tener dos direcciones dependiendo del signo de las cargas que se toman en cuenta: la carga generadora del campo eléctrico Q y la carga que siente el

efecto producido q. Para evitar tener conflicto con ello, siempre debes asumir que la carga eléctrica q presente en el interior del campo eléctrico tiene signo positivo, de tal forma que la dirección del campo dependa exclusivamente del signo de la carga generadora. Siendo así, tenemos que el campo eléctrico generado por una carga eléctrica de signo positivo estará dirigido hacia el exterior de Q (por-que entre cargas eléctricas del mismo signo existe un efecto de repulsión), mientras que en el caso de la dirección del campo eléctrico producido por una carga negativa, estará direccionado al interior de la carga Q (porque cargas eléctricas de signos opuestos se atraen).

La intensidad de campo eléctrico E es una magnitud vectorial que se define por medio de la razón entre la fuerza F realizada por el campo eléctrico y la carga eléctrica q que la siente.

E= Fq

Las unidades S.I. en las que se mide la intensidad de campo eléctrico, según lo indica la ecuación

anterior, son newtons sobre coulombios). ( NC )

Puedes encontrar una expresión alternativa para cuantificar

el campo eléctrico si para ello utilizas la ecuación de la ley de

Coulomb y la remplazas en la fuerza F,

de donde puedes simplificar la carga eléctrica q y obtienes

una ecuación para calcular la intensidad de campo eléctrico

Glosario

Intensidad de campo eléctrico. Razón existente entre la fuerza realizada por el campo eléctrico y

E=kQq

r2

q

E=kQ

r 2

Conexión con la tecnología

Puedes encontrar una entretenida simulación de campo eléctrico en la dirección electrónica:

http//phet.colorado.edu/

en función de la carga eléctrica generadora Q.

Si existiera más de una carga eléctrica generadora, debes calcular la intensidad de campo eléctrico producido por cada una de ellas, para posterior-mente realizar la suma vectorial de los valores parciales obtenidos.

Ejemplificación

Determina el módulo y la dirección del campo eléctrico generado por una carga de 8.0 μC en un punto P situado a 20 cm de ella. Posteriormente, de-termina la fuerza y su dirección ejercida sobre una carga de - 3.0 μC que se coloca en el punto P como muestra la figura.

Identifica los datos proporcionados en el problema y exprésalos con el equivalente de sus prefijos: Carga eléctrica Q = 8.0 μC = 8.0x10-6 C

Distancia r = 20 cm = 20x10-2 m

Elige la ecuación pertinente para obtener la intensidad de campo eléctrico, cuyo valor de la carga eléctrica generadora sería

Remplaza los valores

E=(9.0 x109 Nm2C2 ) (8.0 x10−6C )

(20 x10−2m )2 E=1.8x 10−6 N

C

El campo eléctrico está dirigido hacia la derecha (porque recuerda que se asume que en ese punto se encuentra una carga positiva).

Posteriormente debes reconocer que cuentas con el valor de la carga eléctrica que siente el efecto del campo eléctrico

Carga eléctrica q = - 3.0 μC = - 3.0x10-6 C

Si bien podrías ocupar la ecuación de la ley de Coulomb para calcular la fuerza, es mejor aprovechar que ya conoces el valor del campo eléctrico en ese punto

Puedes encontrar una entretenida simulación de campo eléctrico en la dirección electrónica:

http//phet.colorado.edu/

E=Fq

=¿ F=Eq=¿F=(1.8 x106 NC )(3.0x 10−6C )=¿F=5,4N

La fuerza tiene una dirección que apunta hacia la izquierda porque cargas de signo opuesto se atraen.

Recuerda

Los signos de las cargas eléctricas son útiles para determinar la dirección del campo eléctrico, razón por la que no amerita remplazarlos junto con los valores en las ecuaciones.

Actividades

Señala la región en la que el campo eléctrico podría anularse si se conoce que q, es mayor que q2, Justifica tu respuesta.

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Calcula la intensidad de campo eléctrico en el punto P, de acuerdo con los siguientes esquemas:

¿Qué es la diferencia de potencial?

Cuando una carga se mueve dentro de un campo eléctrico entre dos pun-tos, la fuerza originada por este y el desplazamiento producido dan lugar a que un trabajo sea realizado. En el año académico anterior, aprendiste que todo trabajo realizado implicaba un cambio de energía sobre el cuerpo que es objeto de la interacción. Pues bien, si tenemos dos puntos A y B, se define a la diferencia de potencial eléctrico que es una magnitud escalar VAB, como la razón entre el trabajo realizado WAB para conseguir desplazar a la carga eléctrica entre esas dos posiciones y el valor de la carga eléctrica (q). Entonces:

V AB=W AB

q

De allí se desprende que las unidades de la diferencia de potencial sean el resultado de dividir los joules que tenemos en el numerador y que son las unidades de energía, y coulombios que son las unidades de carga eléctrica en el denominador. A esta combinación de unidades se la denominó voltio en honor al científico italiano Alessandro Volta, quien desarrolló la pila eléctrica.

1voltio=1 joulecoulombio

Por supuesto, que si la diferencia de potencial se estableció

entre dos puntos, bien podría expresarse como la diferencia

de los valores de potencial eléctrico en cada uno de ellos:

VAB=VB-VA

Glosario

Diferencia de potencial eléctrico. Razón existente entre el trabajo realizado para desplazar una carga eléctrica entre dos puntos y le valor de

Si uno de esos valores individuales de potencial eléctrico es cero, el voltaje estará dado solamente por el valor de potencial eléctrico del otro punto que es diferente de cero.

Ejemplificación

Ejemplo 1

Una carga de 5.0μC se desplaza entre dos posiciones dentro de un campo eléctrico por medio de la acción de un trabajo de 8.0 x 10-3J . Determina la diferencia de potencial existente:

Reconoce los datos proporcionados en el problema: Carga eléctrica q = 5.0 x 10-6C Trabajo W = 8.0 x 10-3J Utiliza la ecuación de la diferencia de potencial y remplaza los valores para encontrar la respuesta:

V=Wq

=¿V= 8.0 x10−3

5.0 x 10−6C=¿V=1.6 x103V

Ejemplo 2

Una diferencia de potencial de 24 V es aplicada sobre una carga eléctrica desconocida q que experimenta un cambio en su energía de 3.6x10-2 J.

Calcula el valor de la carga q.

En este caso cuentas con los datos siguientes:

Diferencia de potencial o voltaje V = 24 V

Variación de energía o trabajo W = 3.6x10-2 J.

De la ecuación utilizada, despejas a la carga eléctrica: V=Wqq=W

V

Obtienes la respuesta:

q=3.6 x10−2 J

24V=¿q=1.5 x10−3C=¿q=1.5mC

Las pilas son elementos capaces de suministrar una diferencia de potencial eléctrico entre sus terminales como resultado de un proceso químico provocado en su interior. Sus terminales presentan signos contrarios (positivo y negativo). Cuando se asocian varias pilas se conforma una batería.

Conexiones con la

En nuestro país se utilizan 110V de diferencia de potencial en los tomacorrientes de nuestras casas, mientras que en otros países como

El símbolo utilizado para notar una pila se observa en el gráfico inferior de la figura que se muestra a continuación. Debes caer en cuenta que siempre su terminal de signo positivo se dibuja con mayor tamaño que el correspondiente al terminal de signo negativo. Para una batería, en cambio, se utiliza un símbolo como el que se indica a la derecha.

Las pilas una vez descargadas deben ser desechadas con mucho cuidado, ya que en su descomposición emiten altas cantidades de residuos tóxicos que podrían contaminar de una manera desastrosa si es que entran en contacto con fuentes de agua.

En un fragmento de un artículo publicado por diario El Universo se indica que "los componentes potencialmente peligrosos de las pilas son: mercurio, plomo, cobre, zinc, cadmio, manganeso, níquel y litio. La exposición a estos químicos puede provocar cáncer, pérdida de la visión y memoria, sordera o problemas en los riñones y pulmones; en mujeres embarazadas, el mercurio puede acumularse en la placenta y provocar daño en el cerebro del bebé."

Capacitores

Un dispositivo conformado por un par de hojas metálicas paralelas cargadas con igual valor de carga eléctrica, pero de signos opuestos, toma el nombre de capacitor, que se caracteriza por almacenar carga (energía) y de allí su importancia.

Recuerda

Evita

Especialmente que los niños pongan en contacto las pilas con la boca, pues es una práctica común que conlleva riesgo debido a sus características contaminan

La manera más simple de construir un capacitor es conectar cada una de las hojas metálicas a los terminales de una batería, de tal forma que cada hoja adquiera la cantidad de carga eléctrica proporcionada por ella. Entre las hojas metálicas siempre debe estar de por medio un material dieléctrico, que bien podría ser el aire por sus características aislantes. Si es que se colocara otro aislante —distinto del aire— su capacidad para almacenar carga eléctrica siempre aumentará si es que se mantienen constantes el resto de parámetros.

En el interior del capacitor cargado aparece un campo eléctrico uniforme cuyo valor dependerá, entre otras cosas, de la diferencia de potencial suministrado por la batería, así como de la separación existente entre las hojas metálicas.

Actividades

1. Relaciona cada una de las fuentes de energía señaladas en una columna con sus respectivos valores de diferencia de potencial en la columna opuesta:

Red eléctrica convencional 12 V

Pila AA 1.5 V

Batería de auto 9 V

Conexiones con la vida

Los capacitores también suelen denominarse condensadores en nuestro medio, sin embargo no es una buena opción, en vista de que la propiedad física referente al almacenamiento de energía eléctrica se conoce como capacitancia

Recuerda

Si bien cada una de las hojas metálicas de un capacitor está cargada eléctricamente, la carga neta del capacitor siempre será cero porque las cargas son iguales y de

Batería celular 110 V

Pila cuadrada pequeña 1.5 V

2. Sugiere un procedimiento correcto para desechar las pilas y ponte de acuerdo con tus compañeros para realizar una campaña de información y de posterior recolección en tu colegio. Traza las directrices para este proyecto.

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3. Investiga el significado y aplicación que tiene una conexión a tierra.

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4. Consulta: ¿Cuáles son algunas de las aplicaciones más comunes que tienen los capacitores?

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¿Qué es la corriente eléctrica?

Los electrones son los portadores elementales de carga eléctrica y cuando se desplazan de manera libre y continua, se genera lo que se conoce como corriente eléctrica. Dependiendo del número de electrones que circulen y de la velocidad con que lo hagan, esta corriente será más fuerte o más débil, por lo que se considera apropiado el denominarla intensidad de corriente eléctrica cuando se trata de cuantificarla.

La intensidad de corriente eléctrica I, que es una magnitud fundamental y escalar, se define como la razón entre la cantidad de carga eléctrica q que circula a través de un elemento conductor por unidad de tiempo t.

GLOSARIO

Corriente eléctrica. Flujo de carga eléctrica que tiene lugar a través de un conductor eléctrico durante

l=qt

Como puedes darte cuenta, la intensidad de corriente guarda una relación directa con la cantidad de carga eléctrica existente (así es que si se duplica la carga eléctrica, la intensidad de corriente eléctrica será dos veces mayor); a la vez que con respecto al tiempo mantiene una relación inversa (por ejemplo, si el tiempo de duración en el que circula la carga se duplica, la intensidad de corriente se verá disminuida a la mitad). En cuanto a las unidades, la intensidad de corriente eléctrica se mide según lo señala la ecuación anterior en coulombios (carga eléctrica) sobre segundo (tiempo), lo que da lugar a la aparición de la unidad denominada amperio, llamada así en honor al físico y matemático francés André Marie Ampere. Un amperio (A) puede considerarse entonces como el resultado del flujo por un conductor de 1 coulombio (C) de carga eléctrica que corresponde a 6.3x1018 electrones en el lapso de 1 segundo (s).

1 amperio=1coulombiosegundo

La dirección de la corriente eléctrica establecida de manera convencional señala que son las cargas positivas las que se desplazan, por lo que se asume que la corriente se dirige desde el terminal positivo de la pila a través del circuito trazado, hasta el terminal negativo de la misma. En realidad, son los electrones los que realizan en los conductores sólidos este recorrido, viajan-do entre el terminal negativo de la pila hasta el terminal positivo.

La corriente eléctrica puede ser continua (llamada también directa) o alterna. En el primer caso, la corriente continua es provista por una fuente como una pila o una batería eléctrica, llamándose así porque se desplaza en una sola dirección; mientras que la corriente alterna se mueve en dos direcciones opuestas (de ida y vuelta) y se obtiene de la red eléctrica que abastece de energía nuestros hogares.

Una importante aplicación industrial muy utilizada se llama electrólisis, que consiste en alcanzar mediante la aplicación de corriente eléctrica, la separación en sus correspondientes iones de una sustancia conocida como electrolito.

Ejemplificación

Ejemplo 1

Recuerda

El electrón es el portador de la mínima carga eléctrica de signo negativo existente y su valor corresponde a

Establece el valor de la intensidad de corriente eléctrica generada cuando 33x1020 electrones atraviesan un conductor durante 2.0 minutos.

a) Identifica cada uno de los datos suministrados:

Carga eléctrica q = 3.5x 1020 electrones

Tiempo t = 2.0 minutos

b) Convierte los valores mencionados a sus equivalentes en el sistema internacional de unidades:

3.5 x1020 e−¿ x 1.6 x10

−19C1e−¿=56C¿

¿

2.0 min x 60 s1min

=1.2 x102 s

c) Determina la ecuación apropiada, remplaza los valores y obtén el valor solicitado:

I=qt0> I= 56C

1.2x 102 s => I=0.47 A

Ejemplo 2

Por un cable conductor circula una corriente de 0.25 A. Calcula el número de electrones libres que fluyen durante 5.0 segundos.

a) Reconoce los datos proporcionados en el problema:

Intensidad de corriente I = 0.25 amperios

Tiempo t= 5.0 segundos

b) Las unidades están expresadas correctamente, por lo que no precisas realizar conversión alguna.

c) Elige la ecuación respectiva y despeja la carga eléctrica que es la magnitud desconocida:

I=qt=¿q=¿=¿q=0.25 A x5.0 s=¿q=1.3C

d) Realiza la conversión del caso ya que se pretende conocer el número de electrones presentes:

1.3C x1e−¿

1.6 x10−19C=8.1 x1018e−¿¿¿

Es conveniente tener en cuenta que no sería correcto desde el punto de vista idiomático, hablar del flujo de una corriente eléctrica, ya que sugiere una redundancia y más bien se recomienda referirse a ella como el flujo de la carga eléctrica, que para que se haga presente requiere la existencia de dos condiciones simultáneas e incluyentes:

• Diferencia de potencial, proporcionada por una pila, batería u otro tipo de fuente de energía.

• Circuito cerrado, de tal manera que se pueda garantizar una trayectoria segura a los electrones para regresar a su punto de partida.

De allí que la existencia de un circuito básico aparece como la consecución de estos principios y permiten de esta manera el funcionamiento correcto de diversos aparatos y artefactos que cumplen funciones de diversa naturaleza - lámparas, planchas, parlantes, televisores, entre otros.

En el circuito elemental del gráfico anterior se cumplen las dos condiciones señaladas, apareciendo por consecuencia la corriente eléctrica, por tanto y el foco se enciende. ¿Qué hacer si no se requiere el uso permanente del foco? La respuesta es simple, puesto que si se necesita interrumpir el funcionamiento de un dispositivo eléctrico, se pueden incumplir de manera intencional los requisitos precisados anteriormente, lo que implica remover la fuente de energía, o interrumpir el paso de la corriente en el circuito. La primera de ellas suena razonable, pero no parece muy práctica, ya que re-quiere de una manipulación permanente de un elemento indispensable en esta estructura; mientras que la segunda puede implementarse de manera sencilla, si se cuenta con un elemento llamado interruptor, que permite o no el paso de la carga eléctrica por la trayectoria cerrada.

Recuerda

Bajo ningún aspecto una corriente eléctrica tendrá lugar, si es que no aparecen los dos requerimientos mencionados: diferencia de potencial y circuito

Conexiones con la vidaCuando tocas un objeto cargado eléctrica-mente, tu cuerpo actúa como conductor y dado que estás en contacto con el piso se realiza una conexión a tierra (potencial eléctrico cero), ya que aparecen las dos condiciones para la existencia de corriente eléctrica: circuito cerrado y diferencia de potencial.

Si la descarga producida fuese

Los interruptores, por tanto, son dispositivos que permiten habilitar o des-habilitar el paso de corriente eléctrica según sea el propósito que se persiga y su ubicación en el circuito deberá asignarse acorde a los elementos que deseen mantenerse o no en funcionamiento.

Además, es necesario recalcar que en un circuito todo el voltaje proporcionado por la fuente debe ser consumido necesariamente en la resistencia existente, caso contrario existiría un cortocircuito en los terminales de la fuente. Por ejemplo, si es que se tiene un circuito elemental, en que la fuente proporciona una diferencia de potencial de 9 V, este valor de voltaje debe ser "consumido" totalmente por el foco, razón que exige que verifiques si las características del foco están acordes con los valores máximos de voltaje y corriente que va a recibir.

Actividades

Completa la tabla siguiente, realizando los cálculos pertinentes en cada caso:

Número de electrones

Carga eléctrica

Intensidad de corriente eléctrica durante 1 segundo

8.10x1019

450mC0.0600 A

Conexión con otras cienciasLos músculos actúan bajo estímulos genera-dos por pequeñas corrientes eléctricas. Una corriente de 10 miliamperios (0.010 A) puede provocar contracción en ciertos tipos de músculos

Se realiza el montaje de un circuito como el que se muestra en el esquema siguiente. Señala si los focos están encendidos o apagados, para las combinaciones indicadas de los interruptores, completando la tabla.

Interruptor 1 Interruptor 2 Foco 1 Foco 2 Foco 3abierto abiertoabierto cerradocerrado abiertocerrado cerrado

¿Cuáles son los cuidados y precauciones que deben tenerse para evitar un electrocutamiento?___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Explica el porqué los protones no están presentes en el flujo de carga eléctrica _________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

¿De qué se trata la ley de Ohm?

Asumamos que tienes un circuito básico conformado por un foco y una fuente de voltaje variable. Lograrías visualizar que el brillo del foco varía cada vez que cambias el valor de la diferencia de

Conexión con la tecnología Puedes observar un video referente a la ley de Ohm en el enlace siguiente: youtube.com/watc

potencial eléctrico provisto por la fuente, lo que denota que existe una relación entre la diferencia de potencial y la corriente eléctrica que circula por el foco.

El físico alemán George Ohm se propuso averiguar esta relación,

y después de realizar una serie de mediciones de la intensidad

de corriente I generada por cada cambio en la diferencia de

potencial ∆V, encontró al graficar los datos obtenidos que

entre ambas magnitudes existía una relación de proporcionalidad

directa, pues se forma una línea recta como se muestra a continuación:

De dicha gráfica, se desprende que la diferencia de potencial y la intensidad de corriente están relacionadas por medio de una constante que es la pendiente de la recta:

pendiente=VI

Entonces, aparece una nueva magnitud conocida como resistencia eléctrica R que será expresada en unidades llamadas ohmios (Q), que son el resultado de la razón voltio sobre amperio.

1ohmio=1 voltioamperio

La ley de Ohm sostiene que existe un comportamiento de proporcionalidad directa entre la diferencia de potencial y la intensidad de corriente, y que suele expresarse por medio de la ecuación:

R=VIV=I . R

No todos los materiales conductores tienen un comportamiento perfecto acorde con esta ley, por ejemplo los focos de filamento o los elementos electrónicos. Sin embargo, asumiremos que los componentes a los que haremos referencia se consideran "óhmicos", por su fiel cumplimiento con esta relación.

Algo sumamente importante que debes tener en cuenta, es que siempre que una corriente eléctrica circule por un elemento que tenga resistencia, habrá una diferencia de potencial resultante disminuida en ella, que provoca una transformación de energía eléctrica en energía térmica.

Puedes observar un video referente a la ley de Ohm en el enlace siguiente: youtube.com/watc

Conexiones con la vida¿Cuál es el mecanismo que te permite modificar el volumen de tu iPod, la temperatura de la plancha eléctrica, o el brillo de una lámpara?

Todos estos aparatos tienen un elemento de

La resistencia eléctrica se considera como una magnitud que regula la intensidad de corriente eléctrica, puesto que cuando existe baja resistencia eléctrica mayor será la corriente que puede circular, y en cambio la corriente disminuye en intensidad cuando se presenta una alta resistencia eléctrica.

Factores como la longitud de un cable, así como su grosor, influyen significativamente en el valor de resistencia eléctrica. Por eso, mientras más largo sea el cable conductor, mayor será su resistencia; a medida que el cable sea más grueso, menor es su resistencia.

.

No debes obviar que el material del cual está hecho el cable es también un parámetro importante, ya que si bien los metales, por ejemplo, son buenos conductores de la electricidad, existen diferencias considerables entre ellos, ya que aun cuando tengan iguales dimensiones, unos conducen mejor la corriente que otros. Esto se debe a que existe una propiedad intrínseca de los materiales que se denomina resistividad (opuesta a la conductividad) y que adopta valores constantes que están plenamente identificados y pre-sentados en tablas.

La diferencia entre conductores y aislantes está dada precisamente por la resistividad. Un material será mejor conductor cuanto menor sea la resistividad que posea; en cambio, un aislante será más efectivo cuanto mayor sea su resistividad.

Dentro de los conductores están los semiconductores y los superconductores. Los primeros son la base del material usado en electrónica y se llaman así porque pueden comportarse como aislantes bajo ciertas condiciones, pero superados ciertos umbrales específicos pasan a desempeñarse como conductores. Los superconductores, en cambio, son materiales que a bajas temperaturas (cercanas al cero absoluto) reducen increíblemente su resistencia eléctrica, por lo que pueden conducir electricidad, inclusive sin que se conecte a ellos una fuente de energía.

Potencia eléctrica

El flujo de carga eléctrica por un conductor da lugar al aparecimiento de corriente eléctrica, pero este flujo de electrones se mueve de manera aleatoria, generando un efecto de calentamiento provocado por el continuo choque de ellos con los electrones propios de los átomos que conforman el material del cable conductor que los transporta.

Por eso, todo material que tenga resistencia eléctrica se calienta, puesto que disipa energía expresada como potencia. Mientras mayor sea el tamaño de un aparato eléctrico, más grande suele ser la potencia que requiere desarrollar. Como sabes, la potencia viene dada por la expresión:

¿Cuál es el mecanismo que te permite modificar el volumen de tu iPod, la temperatura de la plancha eléctrica, o el brillo de una lámpara?

Todos estos aparatos tienen un elemento de

Conexión con otras ciencias

Los trenes maglev alcanzan velocidades considerablemente altas porque aprovechan el mecanismo que convierte a los rieles o guías en un material superconductor de altísimo desempeño, reduciendo al mínimo la

La electrónica persigue la miniaturización de los componentes de un circuito, dando lugar a que la corriente eléctrica que circula por ellos disminuya y, como tal, disipe menor potencia, reduciendo así el efecto de calentamiento

Recuerda

P=Wt

Si recuerdas que la diferencia de potencial se define como la razón entre el trabajo realizado para desplazar una carga dentro del campo magnético, tienes que:

W = Vq

Finalmente, remplazas y obtienes:

P=Vqt

=¿ P=VI

que es la expresión utilizada para cuantificar el valor de la potencia genera-da por un elemento óhmico.

Si tenemos presente que V = IR, se puede formular la potencia eléctrica mediante las dos siguientes ecuaciones alternativas:

P=V 2

R=¿P=I 2R

Ejemplificación

Un termóstato de 1500 W, usado para calentar agua, se conecta a una red de 220.0 V. Determina la resistencia del termóstato, así como la intensidad de corriente que circula por ella cuando se encuentra operando a su máxima capacidad.

Reconoces los valores proporcionados: Potencia eléctrica P = 1500W Diferencia de potencial V = 220.0V

Para calcular la resistencia y de acuerdo con los datos que conoces, te conviene usar la ecuación:

P=V 2

R

Remplazas los datos y despejas la resistencia eléctrica R

• La resistividad eléctrica indica la capacidad que tiene un material para presentar oposición al flujo de cargas eléctricas, y es un valor constante propio de él.

• La resistencia eléctrica

1500W=(220.0V )2

R0>R=

((220.V )2 )1500W

=¿ R=32.26

Luego calculas fácilmente la intensidad de corriente P = VI

150W= (220.0V ) I=¿ I=1500W220.0V

=¿ I=6.810 A

Actividades

1. En base a lo aprendido, explica en qué consiste la diferencia entre los focos de filamento comunes y los focos ahorradores.

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2. ¿Por qué los cables eléctricos más comúnmente usados están hechos de cobre?

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3. Consulta en una tabla de resistividad eléctrica, ¿cuáles son los mejores materiales conductores de la electricidad?

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4. Un foco convencional de 100 W ilumina igual que su equivalente de 25.0W en foco ahorrador. Encuentra e interpreta la razón existente entre las potencias de ambos focos, así como la de sus resistencias por separado.

Circuitos eléctricos

En muchas aplicaciones reales se deben armar circuitos más complejos que utilizan varios elementos alimentados con la misma fuente. Existen dos configuraciones importantes que revisarás a continuación:

Circuito serie

Debes reconocer este circuito cuando encuentres resistores ubicados uno a continuación del otro, sin ninguna interrupción de por medio, de tal forma que se garantice a la corriente un camino único posible.

La diferencia de potencial proporcionada por la pila, deberá repartirse completamente entre el número de resistencias, siendo únicamente posible que en cada resistor exista igual caída de voltaje, siempre y cuando los valores de resistencia sean idénticos. De no ser así, existe una manera de determinar el valor de los voltajes individuales, que consiste en asociar los resistores para suponer que en su lugar existe una resistencia total o equivalente que ejerce el mismo efecto físico que las originales.

Sabes que VT=V1+ V2+….+Vn

remplazas V=IR => ITRT=I1R1+I2R2+….+InRn

al ser la corriente constante IRT = IR1 +IR2 + +1Rn

IRT =I(R1, + R2 + +Rn)

por tanto, encuentras que RT = R1 +R2 + …+Rn

Una vez determinada la resistencia total o equivalente, tienes la certeza de que todo el voltaje de la pila se consume en ese "único resistor", de tal forma que puedes calcular el valor de la intensidad de corriente que será constan-te y que permitirá junto con cada una de las resistencias, estimar la diferencia de potencial individual que hay en ellas.

Siempre existirá mayor diferencia de potencial a medida que exista mayor valor de resistencia, en vista de que al ser constante la corriente, es la resistencia la única variable que puede generar diversos resultados en el voltaje.

Ejemplificación

Establecer el valor de los voltajes en cada uno de los resistores del circuito mostrado.

a) Determina el valor de la resistencia total:

Recuerda

El valor de la resistencia total en serie siempre será mayor que el valor de cualquiera de sus

Conexiones con la vida

Los focos navideños están conectados en serie, y bien sabido es que si deja de operar uno de ellos, es la rama de los focos completa la que queda inoperante.

RT=R1+R2+R3 => RT=8.0Ω+4.0Ω+2.0Ω 0> RT=14Ω

b) Ahora tienes la certeza de que los 21 V provistos por la pila deben gastarse completamente en la resistencia total. Calcula la intensidad de corriente.

I= VRT

0> I=21V14Ω

=¿ I=1.5 A

c) Si recuerdas que la intensidad de corriente es la misma que pasa por las tres resistencias, podrías encontrar los valores de la diferencia de potencial en cada resistor:

V1 =1X R1 V2= IxR2 V3=IxR3

V1=1.5 A x 8 Ω V2=1.5 A x 4Ω V3=1.5 A x 2Ω

V1=12 V V2=6.0 V V3=3.0 V

d) Como te puedes fijar, la suma de las diferencias de potencial encontradas da como resultado los 21 V que entrega la fuente.

Circuito paralelo

Otro arreglo posible de resistores que se llama en paralelo, consiste en crear dos o más caminos para que la corriente proveniente de la fuente se distribuya por las distintas ramas del circuito. En este caso, la diferencia de potencial debe mantenerse constante en cada uno de los resistores, puesto que la corriente se divide en tantas partes como ramas existan. Las intensidades de corriente serán iguales solamente en el caso en que los valores de resistencia fueran iguales; cuando no sea esa la situación, se pueden determinar los valores de corriente fácilmente, ya que se conoce el voltaje, así como el valor de las resistencias. Si fuera el caso de calcular la resistencia total o equivalente de esta asociación, el efecto equivalente se consigue haciendo el análisis siguiente:

Debes partir de IT=I1+I2+…..+In

conoces que I=VR0>

V T

RT

=V 1

R1+V 2

R2+….+

V n

Rn

en vista de que el voltaje es constante

V1RT

=V 1R1

+ 1R2

+….+ 1Rn

llegas a determinar que 1RT

= 1R1

+ 1R2

+….+ 1Rn

En paralelo, encontrarás que las corrientes parciales serán mayores a medida de que los resistores tengan menor valor de resistencia y viceversa.

Ejemplificación

Calcular la intensidad de corriente total y las corrientes que circulan por cada resistor, así como la resistencia total del circuito de la figura.

a) Debes tener presente que en paralelo el voltaje es siempre el mismo, razón por la que V1= V1 = V2 = V3 = 16 V

b) Estableces el valor de cada corriente:

I 1=VR1

I 2=VR2

I 3=VR3

I 1=16V8.0Ω

I 2=16V4.0Ω

I 3=16V2.0Ω

I 1=2.0 A I 2=4.0 A I 3=8.0 A

c) Obtienes la corriente total sumando los valores parciales encontrados:

IT=2.0 A + 4.0 A + 8.0 A = 14 A

d) Finalmente, calculas el valor de la resistencia total:

1RT

= 18Ω

+ 14Ω

+ 12Ω

=¿ 1RT

= 78Ω

0>RT=87Ω=1.1Ω

Recuerda

El valor de la resistencia total o equivalente en paralelo siempre será menor que el valor de cualquiera de

Es común que te soliciten determinar el valor de la potencia total del circuito, así como el de las potencias disipadas en cada uno de los resistores, para lo cual debes, sin dudarlo, establecer los valores de voltaje y/o corriente del resistor equivalente calculado, para luego aplicar la relación que te permita encontrar la potencia. Debes tener presente que la suma de las potencias individuales de cada resistor te proporcionará el valor de la potencia total, y la puedes contrastar con el resultado del cálculo de la potencia disipada en el resistor equivalente.

1. Completa la tabla mostrada a continuación, escribiendo cada una de las siguientes expresiones en el lugar correcto:

a. V T=V 1=V 2=……=V n c. 1RT

= 1R1

+ 1R2

+… ..+ 1Rn

e. I T=I 1=I 2=…=I n

b. I T=I 2+I 2+… ..+ I n d. RT=R1+R2+….+Rn f. V T=V 1+V 2+….V n

Circuito Corriente Voltaje ResistenciaSerie e. f. d.Paralelo b. a. c.

2. Calcula de acuerdo con los esquemas siguientes el valor de la resistencia total expresada en términos de R.

Determina la cantidad de energía emitida durante un minuto, así como la corriente que circula por una plancha eléctrica, que entre sus especificaciones indica tener una potencia de 825 W y que se conecta a la red doméstica de voltaje (110 V).

Encuentra el valor de la potencia total disipada en el circuito siguiente:

Magnetismo

Seguramente desde pequeño te maravillaste al ver el efecto con que un imán atraía monedas, clips y cualquier otro cuerpo metálico. ¿Sabías que todo imán tiene dos polos? Los imanes tienen la propiedad de generar un campo magnético a su alrededor, que se torna más fuerte en las regiones cercanas a sus polos: norte y sur. Dichos polos son inseparables, de tal forma que si dividieras un imán en trozos más pequeños, siempre mantendrían cada uno de ellos los dos polos inalterables, disminuyendo claro está, la intensidad del campo magnético generado, que siempre estará dirigido des-de el polo norte hacia el polo sur.

Entre imanes se producen fuerzas de atracción y repulsión, siendo su efecto explicado por la conocida regla que indica que: "polos iguales se repelen y polos opuestos se atraen'

Nuestro planeta se comporta como un imán gigante, en donde se genera un campo magnético. Es por eso que las conocidas brújulas, son aparatos que tienen una aguja imantada, que se orienta de

tal manera que apunta siempre al norte. No obstante, debes saber que si es que la aguja apunta al norte debería ser atraída por el polo opuesto de la Tierra, es decir el polo sur. ¿Es esto confuso como parece? No en verdad, ya que lo que siempre hemos conocido como hemisferios norte y sur se mantienen, pero se debe aclarar que el norte geográfico está ubicado en el sur magnético y en el sur geográfico se encuentra el norte magnético, tal como se aprecia en la ilustración siguiente:

Si es que creías que los campos magnéticos solo pueden ser generados por imanes te equivocas, ya que de manera casual e inesperada Oersted en el siglo XIX observó que en las proximidades de un circuito eléctrico, la aguja de su brújula se desviaba de su dirección habitual, llegando a la conclusión de que la corriente que circula por un cable conductor también podía generar un efecto de atracción a determinados materiales (ferromagnéticos), originado por el campo magnético provocado, que en este caso tiene una forma envolvente y concéntrica al cable. Para determinar la dirección del campo, se requiere conocer la dirección de la corriente eléctrica y seguir la regla de la mano derecha.

Cuando se quiere cuantificar el efecto del vector campo magnético, se de la intensidad del mismo y se nota usando el símbolo B. Sus unidades de medida se llaman teslas (T).

Destrezas con criterios de desempeño. Analizar circuitos magnéticos con la descripción inicial de los instrumentos de medición más utilizados en este campo, san los galvanómetros, amperímetros y voltímetros.

Recuerda

La dirección del campo magnético de un imán siempre estará dirigida saliendo

Conexión con otras ciencias

Existen solamente tres elementos en la naturaleza que pueden ser imantados: el hierro, el níquel y

Tema 2. Circuitos magnéticos

Active mis conocimientos previos. ¿Cuáles son los instrumentos que se utilizan para medir magnitudes eléctricas? ¿Cómo funciona un parlante? ¿De qué depende el valor de la fuerza realizada por el campo magnético?

Analizo la situación problema

Tomado de la Física 2 de Paul Zitzewitz. Mc Graw Hill, 1997.

“Uno de los usos de las fuerzas sobre alambres que portan corriente en campos magnéticos es el de los altavoces. Un altavoz convierte energía eléctrica en energía sonora mediante una bobina de alambre delgado montada sobre un cono de papel y colocada en un campo magnético (...) El amplificador envía hacia el altavoz una corriente a través de la bobina. Se ejerce una fuerza sobre la bobina, puesto que se encuentra en un campo magnético. La fuerza empuja hacia dentro o hacia fuera el cono de papel, dependiendo de la dirección de la corriente. Este movimiento hace que el cono vibre, crean-do ondas de sonido en el aire. Una señal eléctrica que representa un tono musical, consiste en una corriente que cambia su dirección entre 20 y 20 000 veces por segundo, dependiendo del tono de sonido."

Reflexiono

Investiga, ¿cuáles son los componentes de un altavoz (parlante) y realiza un gráfico señalando su ubicación y función?

2. La frecuencia de sonidos que son capaces de captar nuestros oídos están comprendidos entre 20 y 20 000 Hz. ¿Qué tipo de sonidos estarían asociados a cada valor extremo señalado?

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El galvanómetro

Al igual que los campos gravitacional y eléctrico, el campo magnético es capaz de generar una fuerza, que bien puede ser ejercida sobre una carga eléctrica en movimiento o sobre un conductor que porta una corriente eléctrica.

La magnitud de la fuerza magnética F se calcula tomando en cuenta factores como la carga eléctrica presente q, la velocidad a la que se mueve v, la intensidad de campo magnético B y el ángulo 0 que se forma entre las direcciones de movimiento de la carga y el campo magnético.

F = qvBsenθ

Si se tratara de una corriente eléctrica, la ecuación varía ligeramente y se expresa como:

F = ILBsenθ

En donde I representa a la intensidad de corriente, (L) es la longitud del cable por la que circula, B es la intensidad de campo magnético y 0 es ángulo que se forma entre las direcciones de la corriente y el campo magnético. La fuerza realizada será máxima cuando la dirección del flujo de cargas eléctricas es perpendicular a la dirección del campo magnético (0 = 900), y en cambio será nula si es que la corriente eléctrica circula en un conductor alineado de manera paralela al campo (

θ=0º óθ=180 º).

Recuerda

Conexión con la tecnología

Visita la dirección electrónica: http://www. walter-fendt.de./ph14s/lorentzforce_s_htm y encontrarás una interesante simulación del

Una carga eléctrica no experimenta fuerza dentro de un campo magnético, si se encuentra en reposo, o si se desplaza de manera paralela a la dirección del campo magnético.

Para determinar la dirección de la fuerza hecha por un campo magnético, se requiere emplear una regla conocida como la de la palma de la mano de-recha, en la que con ayuda de la palma y los dedos se simula las direcciones del movimiento de las cargas eléctricas (corriente), del campo magnético presente y por supuesto de la fuerza resultante. Esta regla es válida para car-gas de signo positivo, así como para corriente (que asumimos convencionalmente se mueve como un flujo de cargas positivas), mientras que para cargas negativas simplemente indicamos la respuesta obtenida en sentido opuesto.

Si a partir de un cable conductor rectilíneo que transporta corriente unidireccional, le das una forma particular (circular o rectangular) generarás lo que se conoce como espira, con la que se logra que la corriente ingrese en dirección por uno de los extremos y salga en el sentido opuesto por el extremo del cable.

La ventaja que se obtiene con este arreglo, es que al igual que las corrientes están en direcciones contrarias, las fuerzas generadas en lados paralelos de espira, apuntan también en sentidos opuestos, por lo que se puede notar que la espira va a mostrar un efecto de giro de 180° sobre su propio eje.

Es muy importante cuantificar el valor de la corriente eléctrica, así como de la diferencia de potencial presentes en un circuito, y para hacerlo se cuenta actualmente con equipos sofisticados que proporcionan medidas precisas de estas variables. El campo magnético tiene la propiedad de generar fuer-zas sobre cargas y corrientes eléctricas ubicadas en su interior, lo cual es aprovechado para diseñar varios aparatos de medición.

En el caso de un galvanómetro, se aprovecha este efecto para lograr detectar una corriente, sin importar cuán pequeña esta fuera. En lugar de colocar una sola espira se disponen varias de ellas a vez, para conformar lo que se conoce como bobina y asegurarse de que la fuerza generada por el campo magnético sea significativa.

Así entonces, una vez que se detecta la corriente eléctrica y la fuerza realizada por un campo magnético uniforme creado por los polos de un imán el efecto de giro se traslada a un resorte que en el otro extremo está asociado con el brazo indicador. Mientras mayor sea la corriente existente, la deflexión del brazo será más contundente y mayor la lectura que indica el aparato.

Para construir un amperímetro y un voltímetro, se utiliza la misma estructura del galvanómetro con incorporación de algunos cambios necesarios según el caso.

Si bien el galvanómetro mide una corriente eléctrica pequeña y podría parecer apta para considerarse como amperímetro, presentaría dificultad para detectar corrientes más elevadas, y

Conexión con otras ciencias

Conexión con otras ciencias

Un amperímetro siempre debe ser conectado en

por otra parte el valor de su resistencia eléctrica relativamente alta origina que no se pueda realizar una medida correcta de la corriente eléctrica. Para disminuir el valor de esta resistencia, la solución es conectar en paralelo una resistencia adicional, de tal forma que la resistencia equivalente del amperímetro quede reducida al mínimo y pueda cumplir así con su cometido.

Para lograr que el galvanómetro trabaje como voltímetro, la resistencia eléctrica que posee se considera muy baja y por ello puede solamente establecer valores de diferencias de potencial muy pequeñas. Esta condición puede modificarse si es que al galvanómetro se lo asocia en serie con una resistencia adicional, logrando que se incremente la resistencia equivalente y de esta forma la capacidad de medida de voltaje mejore sustancialmente.

Recuerda

Cuando conectes inicialmente un amperímetro y/o voltímetro, es aconsejable que elijas el mayor rango posible en cada uno de ellos al inicio, más aún si des-conoces o ignoras los posibles valores de corriente y/o voltaje que se van a leer. De no hacerlo, los aparatos de medida podrían resultar seriamente afectados y perder futura precisión absoluta en sus mediciones.

Ejemplificación

Ejemplo 1

Determina la fuerza máxima realizada por un campo magnético de 0.50 T (dirigido hacia el sentido positivo del eje x) sobre un cable conductor de 30 cm de longitud que transporta una corriente de 1.8 A que se mueve hacia afuera del plano de este libro (sentido positivo del eje z).

Identificas los datos que te proporciona el problema: Intensidad de campo magnético B = 0.50T Longitud del cable L = 30 cm = 0.30 m Intensidad de corriente eléctrica I = 1.8 A Ángulo entre el campo y la corriente e = 90°

Calculas la fuerza solicitada: F = ILBsenθ F= 1.8 A x 0.30 m x 0.50T x sen 90° F = 0.27 N

c) Aplicas la regla de la palma de la mano derecha para establecer la dirección. Obtendrás que la respuesta es hacia arriba (sentido positivo del eje y).

Conexión con otras ciencias

Un amperímetro siempre debe ser conectado en

Ejemplo 2

Estima el número de electrones que conforman una carga eléctrica que se mueve a 6.9 x 104 m/s en el interior de un campo magnético de 1.2T dirigido hacia la izquierda (sentido negativo del eje x), y que reciben una máxima fuerza de 2.4 x 10-3 N dirigida hacia abajo (sentido negativo del eje y). Indica también la dirección de movimiento de la carga.

a) En este caso cuentas con los datos siguientes:

Velocidad v = 6.9 x 104 m/s

Fuerza F = 2.4 x 10-3 N

Intensidad de campo magnético B = 1.2 T

Ángulo entre el campo y la corriente θ = 90'

b) Seleccionas la ecuación pertinente y determinas la carga eléctrica:

F = qvBsenθ q=F

vBsenθ

q= 24 x10−3N

(6.9 x 104 ms ) x 1.2Txsen90 °q=2.9x 10−8C

c) Calculas el equivalente de esta carga en electrones:

2.9 x10−8C x1e−¿

1.6 x10−19C=1.8 x1011e−¿ ¿¿

d) Usando la regla de la palma de la mano derecha, determinas la dirección. Encontrarás que el dedo pulgar apunta hacia afuera del plano que tienes en frente. No obstante como se trata de

Conexión con otras

Los multímetros actuales son dispositivos digitales que funcionan basados en el mismo principio del galvanómetro, adicionalmente disponen de circuitos de conversión

carga eléctrica negativa, el resultado correcto es el opuesto al señalado: hacia adentro (sentido positivo del eje z).

Actividades

1. Con la ayuda de la regla de la palma de la mano derecha, completa la tabla siguiente:

Signo de la carga Velocidad Campo magnético Fuerza- arriba adentro+ derecha abajo- izquierda Adentro

2. Determina el valor de la corriente mínima que debe circular por un cable conductor rectilíneo de 50 cm de Iongitud, para conseguir que se encuentre equilibrado cuando se ubica en el interior de un campo magnético de 0.040 T si el cable tiene una masa 30 g.

Tema 3. Inducción electromagnética

Destrezas con criterios de desempeño. Interpretar el proceso de inducción electromagnética como resultado de la interacción entre bobinas por las cuales circula la corriente eléctrica.

Activo mis conocimientos previos. ¿Qué entiendes por inducción? ¿Cuáles son las aplicaciones de la inducción electromagnética? ¿Para qué se usan los transformadores?

Analizo la situación problema

Los aparatos eléctricos que utilizamos requieren valores específicos de corriente y voltaje para operar correctamente, sin embargo todos pueden utilizar solamente el voltaje que proporciona la red eléctrica. Cada aparato convierte, mediante un dispositivo incluido en su interior, llamado transformador, el voltaje de entrada en otro voltaje de salida que cumpla con sus requerimientos de operación. Por ejemplo, cuando conectas tu teléfono celular para "cargarlo", estás utilizando un transformador que convierte los 110 V de corriente alterna provistos del tomacorriente en 3.60 V de corriente continua.

Reflexiono

1. Consulta algunos ejemplos conocidos de aplicación de los transformadores. Identifica, ¿dónde los has visto?

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2. Investiga, ¿con qué materiales puedes construir un transformador y el procedimiento de armado que debe seguirse?

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Introducción electromagnética

El descubrimiento del fenómeno de inducción electromagnética cambió el curso de la humanidad, puesto que hasta que se dio este hecho, la energía eléctrica solo podía obtenerse de pilas y baterías. Es a partir de entonces que se logró generar y aprovechar los recursos para sostener el funcionamiento de fabricas, alumbrado doméstico y público, en fin todo aquello que favoreció a la consolidación de una sociedad moderna, hablando en términos energéticos.

Cundo existe un campo magnético generado por un imán, y en su interior ocas un cable conductor, te percatarás que nada extraño ocurre. Pero si es que procedes a realizar un movimiento repetido de ingreso y salida del cable conductor en el campo magnético o viceversa, notarás que una corriente circula sobre él, dando lugar al aparecimiento de una fem (fuerza electromotriz) "inducida". La magnitud de la corriente y fem inducidos será mayor mientras más rápido sea el movimiento relativo descrito entre el cable conductor y el campo magnético creado por el imán.

De igual manera, si es que en el interior de una bobina desplazas reiterada-mente un imán, vas a conseguir generar nuevamente las variables inducidas, cuyas magnitudes serán también proporcionales al número de espiras de la bobina tanto como a la rapidez de desplazamiento del imán; mientras más altos sean estos valores, mayores serán la fem y la corriente inducida.

La corriente y la fem inducidas aparecen como el resultado de la variación del campo magnético con respecto al tiempo, y dependen del número de espiras de la bobina. Esto es lo que sostiene la denominada ley de Faraday.

Entre tanto, si es que conectas una pila o batería a una primera bobina que como se muestra en la ilustración se enrolla alrededor de un anillo metálico (con la intención de que el efecto del campo magnético creado se magnifique), observarás que en la segunda bobina se induce una corriente. Este es el principio de funcionamiento de un transformador.

Un transformador está conformado por un núcleo de hierro y permite cambiar un voltaje de entrada V1 en otro de salida V2, por medio de la inducción magnética creada por la bobina enrollada en el "primario" sobre la bobina enrollada en el "secundario", de acuerdo con la relación:

Recuerda

Para que exista corriente eléctrica inducida se requiere de la existencia de un campo magnético

V 2

V 1

=N2

N1

En donde N1 representa el número de vueltas de cable enrolladas en el primario, y N2 es el número de vueltas de cable dadas en el secundario.

Como te darás cuenta, la relación entre el número de vueltas de alambre entre el primario y el secundario será el factor que determina la relación en-re los voltajes. Por eso, si N2 > N1, el voltaje de salida y, también será mayor que el de entrada V1; si es que N2 < N1, a la salida el voltaje V2 será menor que el de entrada V1.

Cualquiera sea el caso tratado, un transformador se caracteriza porque la potencia generada siempre será la misma, tanto en el primario como en el secundario, lo que implica que la corriente inducida debe adaptarse para - Je esta condición se cumpla.

Pprimario=PsecundarioV 1. I1=V 2. I 2

Ejemplificación

Ejemplo 1

Un transformador tiene enrolladas en su primario 200 espiras de un alambre esmaltado, y en el secundario 50.0 espiras del mismo alambre. Si es que el transformador tiene como entrada 110 V, determina el voltaje de salida proporcionado.

a) Identificas los valores conocidos:

Número de espiras en el primario N1 = 200 espiras

Número de espiras en el secundario N2 = 50.0 espiras

Voltaje de entrada V1 = 110 V

b) Utilizas la expresión correspondiente, remplazas y despejas el valor desconocido:

V 2

V 1

=N2

N1

=¿V 2

110V= 5.0 espiras200 espiras

=¿V 2=27.5V

Ejemplo 2

Pretendes construir un transformador que te permita usar como entrada una diferencia de potencial de 60.0 V y una corriente de 2.00 A con 300 espiras enrolladas en el primario, para lograr que a la salida se obtengan 90.0 V. ¿Cuántas espiras deben enrollarse en el secundario?

¿Cuál es la corriente inducida en el secundario?

a) Reconoces los datos con que cuentas:

Numero de espiras en el primario N1 = 300 espiras

Corriente eléctrica en el primario l1 = 2.00 A

Voltaje de entrada V1 = 60.0 V

Voltaje de salida V2 =90.0 V

Con ayuda de la ecuación puedes hallar el número de espiras requeridas en el secundario:

V 2

V 1

=N2

N1

=¿ 90.0V60.0V

=N2

300espiras=¿N2=450espiras

c) Para determinar la corriente inducida 12, puedes usar la relación

Pprimario=Psecundario=¿ V1. I1=V

2. I2

60.0V x2.00 A=90.0V x I 2=¿ I 2=1.30 A

Actividades

1. Calcula la relación que existe entre los voltajes y entre las corrientes de entrada y salida de un transformador que tiene 80.0 vueltas de alambre dispuestas en el primario, y 400 vueltas de alambre en el secundario.

Tema 4 Generadores y motores eléctricos

Destreza con criterios de desempeño. Relacionar las estructuras de los generadores y de los motores eléctricos a partir del análisis de sus partes y funciones específicas.

Activo mis conocimientos previos. ¿Cómo funciona un motor eléctrico? ¿De qué manera se genera energía eléctrica? ¿En qué se parecen y se diferencian un motor y un generador eléctrico?

Analizo la situación problema

Existe una infinidad de tareas que se dinamizaron a partir de la existencia de C. los motores eléctricos, que facilitaron la realización de tareas de toda índole. 'Yo" Sal Así mismo, la generación de electricidad a gran escala se afianzó y sea cual fuere la naturaleza de la energía, el mecanismo usado se tornó muy fiable. En la actualidad, en nuestro país aún tenemos centralizada la generación 1.110 de energía en las fuentes hidráulicas, en donde el caudal del agua provee la energía mecánica inicial que será convertida en energía eléctrica en la sala de máquinas.

Reflexiono

1. Indica al menos cinco artefactos que operen con la ayuda de un motor eléctrico.

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2. Averigua el nombre de cuatro centrales hidroeléctricas que operen en nuestro país e indica su ubicación geográfica dentro del territorio nacional. De ser posible, incluye la potencia de generación de cada una de ellas.

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3. Señala otros tipos de fuentes de energía utilizadas para la generación de energía eléctrica.

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¿Cómo funciona un motor eléctrico?

En el tema 2 ya se explicó el efecto de giro que se producía sobre una espira introducida dentro de un campo magnético uniforme, y qué permitía el funcionamiento de un galvanómetro. Bajo este principio, se fundamenta la operación del motor eléctrico, marcando por supuesto algunas particularidades.

Así, por ejemplo, el campo magnético generado debe ser provisto por un electroimán en lugar de un imán permanente, permitiendo con ello la operación a voluntad del motor en los casos y tiempos que se requieran. Por otra parte, una característica trascendental del motor eléctrico es conseguir que la fuerza que aparece sobre los bordes paralelos de la espira, logren alternarse de manera que pueda girar 3600, y para eso se pro-cede a realizar sistemáticamente un cambio de sentido de la corriente eléctrica cada medio giro, con la ayuda de un anillo conmutador, de tal forma que la fuerza se invierta sobre cada lado sincronizadamente y alcance a completarse el giro una y otra vez. Las escobillas permiten el flujo permanente de corriente en la espira.

En un motor eléctrico real se cuenta con la rotación de varias espiras que dan lugar a la denominada armadura del motor. Entonces, la fuerza magnética desarrollada dependerá tanto del número de espiras presentes como de la intensidad de campo magnético proporcionado por el

Conexión con la tecnología

Existe una simulación bastante buena del principio de funcionamiento de un motor de corriente continua en la dirección electrónica http://www.walter-fendt.deph14s/electricmotor_s.htm

Igualmente, puedes encontrar un video explicativo en el sitio de youtube buscando generador eléctrico, o en la

imán, y se variará externamente en función de la cantidad de corriente que se permita ingresar al sistema.

Un motor eléctrico se caracteriza por convertir energía eléctrica en energía mecánica, mientras que un generador eléctrico realiza justamente lo contrario: convierte la energía mecánica en energía eléctrica. En ambas aplicaciones, la inducción electromagnética es el fundamento que lo hace posible. Por tanto, un motor y un generador eléctricos tienen el mismo esquema, variando únicamente las fuentes de entrada y la salida en cada uno de ellos.

Para el caso del generador eléctrico, si produce corriente continua se conoce con el nombre de dínamo, mientras que si la corriente producida es alterna se le denomina alternador.

La energía mecánica utilizada a la entrada del generador podría obtenerse de diferentes formas, siendo en el caso de una central hidráulica la fuerza del agua con que cae cuando se encuentra contenida en una represa, la que la genera; o la fuerza del viento en una central eólica; o el vapor producido por la combustión de un material como carbón, leña, petróleo o sus deriva-dos, etc. en un generador térmico.

Tema 5 Corriente alterna

Motor

Energía Energía

Generador eléctrico

Energía Energía

Destrezas con criterios de desempeño. Identificar circuitos de corriente continua y de corriente alterna a partir de la explicación de sus definiciones puntuales y de sus propiedades, de la observación y de sus estructuras constitutivas, tanto en el laboratorio como mediante cualquier otro recurso audiovisual.

Activo mis conocimientos previos. ¿La corriente que se obtiene de una toma eléctrica es continua o es alterna? ¿Qué son los valores eficaces y máximos de voltaje y de corriente? ¿Qué tipo de corriente se genera en una central hidroeléctrica?

Analizo la situación problema

Hace ya tiempo atrás, existió una marcada pugna entre científicos que pro-movían el tipo de corriente que era más conveniente manejar. Así, Edison era partidario de que la producción, transporte y distribución de la energía eléctrica debían determinarse usando corriente continua o directa, mientras que Tesla defendía el uso de la corriente alterna para estos fines. Con el paso de los años, se determinó que la energía eléctrica alterna ofrecía mejores características para el efecto, por lo que en las centrales eléctricas se genera una diferencia de potencial alterna de varios miles de voltios y que en su trayecto es reducido varias veces en torres transformadoras hasta llegar a nuestro hogar con el conocido valor normalizado de 110 V.

Reflexiono

1. ¿Cuáles son las ventajas que pone de manifiesto el manejo de corriente eléctrica alterna en su generación, transporte y distribución? Investiga.

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2. ¿Qué tipo de corriente genera más daño cuando circula por el cuerpo de una persona: alterna o continua? Justifica tu respuesta.

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Corriente alterna

La corriente alterna aparece como el resultado de la generación de energía de un alternador, en donde su comportamiento se torna cíclico y repetiti-vo oscilando en ambas direcciones, alcanzando un valor máximo de signo positivo y otro de signo negativo. De igual forma se comporta el voltaje, pues está en fase con la corriente, es decir, que cuando el voltaje alcanza su valor máximo, la corriente también lo hace. La frecuencia de oscilación está normalizada, y en nuestro sistema eléctrico se genera corriente alterna con frecuencia de 60 Hz, lo que significa que cada oscilación tarda un segundo. Para realizar los cálculos, no se puede trabajar con el valor pico de corriente o de voltaje porque este no es constante en el tiempo, sino que se maneja un valor fijo representativo y como referencia, denominado valor eficaz o valor rms que se obtiene a partir de:

V eficaz=V pico

√2

La corriente eficaz es el valor de corriente que lograría disipar la misma cantidad de energía que la corriente alterna correspondiente.

Recuerda

El símbolo utilizado para representar a la corriente alterna es

, mientras que

Los circuitos de corriente alterna pueden estar conformados por resistencias R, capacitores C e inductores L. Cuando tiene solo resistencias se dice que el circuito es puramente resistivo, de igual manera podría ser puramente capacitivo o puramente inductivo, si es que el circuito cuenta únicamente con capacitores o inductores, respectivamente.

La magnitud responsable de controlar el flujo de corriente en circuito de corriente alterna se denomina impedancia Z, y está conformada además del ya conocido valor de resistencia R, por la reactancia X en el caso de capacitores e inductores, que se calcula de acuerdo con las relaciones siguientes:

X c=1

2 πf .Creactancia capacitiva

X L=2πf . Lreactancia inductiva

En donde f es la frecuencia de oscilación de la corriente alterna.

Así tenemos que la impedancia viene dada por:

Z=√R2+ (X L−XC )2

Ejemplificación

Ejemplo 1

En el siguiente circuito RLC, establece el valor de la intensidad de corriente total eficaz que proporciona la batería de 12 V. Además, encuentra la intensidad de corriente total pico en el circuito (frecuencia de oscilación 60 Hz).

a) Calculas las reactancias capacitiva e inductiva:

XC=1

2 πf .C= 1

2 π (60Hz )(5.8 x10−6F )=4.6 x102

X L=2πf . L=2π (60Hz ) (0.90H )=3.4 x102

b) Encuentras el valor de la impedancia:

Z=√R2+ (X L−XC )2=√(20)2+¿¿

Z=1.2 x 102

c) La ley de Ohm se generaliza y expresa según la ecuación: V = I•Z

Así, obtienes la corriente total eficaz del circuito:

I=VZ

= 21V

1.2 x102Ω=0.18 A

El significado de la corriente eficaz es que 0.18 A disiparían la misma potencia que en un circuito con corriente continua.

d) Calculas el valor de la corriente total pico:

I pico=√2. I eficaz=¿ I pico=√2 x0.18 A=¿ I pico=0.25 A

Actividades

1. Encuentra el voltaje eficaz y el voltaje pico de la fuente del circuito de la figura, si conoces que la corriente eficaz total es 050 A.

Laboratorio

Ley de Ohm

Objetivos

Determinar los valores de resistencias desconocidas.

Teoría

La ley de Ohm sostiene que la intensidad de corriente que aparece en un resistor es directamente proporcional a la diferencia de potencial que experimenta, e inversamente proporcional al valor de la resistencia que lo caracteriza.

Materiales

Fuente de corriente continua Voltímetro Amperímetro

Cables InterruptorTres resistores de diferentes valores de resistencia.

Procedimiento

1. Realiza una conexión en serie de los elementos de la manera indicada en la figura.

2. Mantén el interruptor abierto hasta que el profesor revise la validez de la conexión.

3. Selecciona una salida de 3.0 Ven la fuente.

4. Cierra el interruptor y registra las medidas del amperímetro y del voltímetro en la tabla que para el efecto se muestran a continuación.

5. Abre el interruptor.

6. Calcula el valor de la resistencia con los datos obtenidos (R = V / I).

7. Cambia el voltaje de la fuente al doble del valor inicial 6.0 V.

8. Realiza nuevamente las lecturas con el interruptor cerrado y establece el valor de la resistencia por segunda ocasión.

9. Cambia el resistor y vuelve a realizar el procedimiento hasta completar la tabla que sigue.

Datos y cálculos

Valor conocido del resistor

Voltaje y (voltios) Corriente1(amperios)

Resistencia R(ohmios)

R1R2R3

Cuestionario

1. Describe la conexión apropiada que realizas con el voltímetro y el amperímetro. Realiza un gráfico

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2. Compara los valores de la resistencia calculados con los establecidos originalmente, determinando el porcentaje de error (usa como valor real la media de los dos valores obtenidos)

3. Predice el valor de corriente que encontrarás con cada resistor si la fuente entrega 1.5 V

Evaluación de bloque

1. Indica si las siguientes afirmaciones con verdaderas (V) o falsas (F). De no ser ciertas, escribe la respuesta correcta.

Afirmación Respuesta correctaa) La resistencia eléctrica de un cable es

mayor mientras es más grueso( )

b) En una conexión de resistores en serie, el voltaje en cada uno de ellos permanece constante.

( )

c) La mínima carga eléctrica posible es la que corresponde al electrón

( )

d) El campo magnético de un imán se dirige desde el polo positivo hacia el polo negativo

( )

e) La variación del campo magnético induce una corriente eléctrica.

( )

f) Una carga que se mueve paralela a la dirección del campo magnético no siente fuerza magnética alguna.

( )

g) El voltaje eficaz es mayor que el voltaje pico

( )

2. Responde ¿Cuál es la naturaleza del campo que aparece alrededor de una carga eléctrica en reposo, así como sobre una carga eléctrica en movimiento?

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3. Un campo magnético uniforme realiza 4. En el circuito siguiente, indica con una x

una fuerza magnética F sobre una partícula qué sucede con el brillo de cada uno de que se desplaza con una velocidad v en su los focos 1 y 2 cuando se cierra el interior. La partícula tiene masa m y está interruptor S.cargada con carga q. Si es que aparece dentro del mismo campo magnético otra partícula de masa 2m, carga 2q y velocidad 2v, la fuerza magnética realizada sobre esta será:

F2F4F8F

Indicadores esenciales de evaluación

Define el concepto “corriente eléctrica” sus conceptos y leyes asociados. Indica la dirección de dicha corriente, analiza y soluciona ejercicios sobre el temaEstablece las relaciones entre la corriente eléctrica, resuelve situaciones problemáticas cotidianas en las que se evidencie esta relación.Define a un superconductor, establece sus características y las asocia con situaciones de la vida diaria. Representa y arma resistores en serie y paralelo, determina sus características y realiza cálculos en situaciones diversas.Demuestra la correcta utilización de un galvanómetro, amperímetro y voltímetro en procesos de medición.

Resuelve los ejercicios siguientes:

Foco Aumentabrillo

No cambia

Disminuyebrillo

123

5. Calcula el valor de la intensidad de corriente que por lana estufa eléctrica que tiene una resistencia eléctrica de 11.0 Ω cuando se conecta a una urna de 220 V. Determina también la cantidad de energía térmica que disipa durante 30.0 segundos.

7. Encuentra el valor de la potencia total disipada en el circuito que se muestra en el ejercicio 4, si es que se conoce que la pila proporciona 15 V, y los focos son idénticos y tienen una resistencia de 40 0. Debes su-poner los dos casos: interruptor abierto e interruptor

Autoevaluación

5. Calcula el valor de la intensidad de corriente que por lana estufa eléctrica que tiene una resistencia eléctrica de 11.0 Ω cuando se conecta a una urna de 220 V. Determina también la cantidad de energía térmica que disipa durante 30.0 segundos.

7. Encuentra el valor de la potencia total disipada en el circuito que se muestra en el ejercicio 4, si es que se conoce que la pila proporciona 15 V, y los focos son idénticos y tienen una resistencia de 40 0. Debes su-poner los dos casos: interruptor abierto e interruptor

Indicadores esenciales de evaluación Bajo Medio Alto

Defino el concepto "corriente eléctrica", sus conceptos y leyes asociados; indico 7 sección de dicha corriente, analizo y soluciono ejercicios sobre el tema.Establezco las relaciones entre la corriente eléctrica; resuelvo situaciones problemáticas cotidianas en las que se evidencie esta relación.Defino a un superconductor, establezco sus características y los asocio con situaciones de la vida diaria.Represento y armo resistores en serie y paralelo, determino sus características y realizo cálculos en situaciones diversas.Demuestro la correcta utilización de un galvanómetro, amperímetro y voltímetro procesos de medición.

Calor y temperatura:¿son conceptos análogos?

Eje curricular integrador

Comprender los fenómenos físicos y químicos como procesos complementarios e integrados al mundo natural y tecnológico.

Ejes del aprendizaje

Reconocimiento de situaciones o cuestiones científicamente investigables.Identificación de la evidencia en una investigación científica. Formulación o evaluación de conclusiones.Comunicación de conclusiones válidas.Demostración de comprensión de conceptos científicos.

Macrodestrezas

Construcción del conocimiento científicoExplicación de fenómenos naturalesAplicaciónEvaluación

Bloque 2

Ruta de aprendizaje

Indicadores esenciales de evaluación

Define el concepto "corriente eléctrica", y relaciona cualitativamente y cuantitativamente las diferentes escalas de temperatura (° C , ° F y K ¿ finalmente demuestra aptitud en la resolución de situaciones problemáticas

Calor y temperatura

Temperatura Calor Termodinámica

Escalas Calor específico Leyes

Dilatación Calor latente Máquinas térmicas

Transmisión

Explica los procesos de dilatación de sólidos y líquidos, y demuestra aptitud en la resolución de ejercicios.Define entropía, ejemplifica situaciones en las que se demuestre que la entropía del universo tiende a aumentar. Desarrolla cálculos al respecto

Tema 1. Temperatura

Destrezas con criterio de desempeño. Analizar los conceptos de calor y temperatura a partir de la explicación de sus características y de la identificación, descripción e interpretación de situaciones relacionadas con ellos.

Activo más conocimientos previos. ¿Has escuchado hablar del calentamiento global?, ¿conoces cómo puedes colaborar para impedir que esta situación se torne insalvable?, ¿qué harías para motivar al resto de la población a unirse a la causa ecológica?

Analizo la situación problema

Los fenómenos climáticos se vuelven cada vez más nocivos e inclementes con la humanidad. Observamos con frecuencia en los noticieros que terremotos, tornados, huracanes, tsunamis, incendios, deshielos, entre otros, son causa de desolación y muerte. El calentamiento global parece estar detrás de todo esto, puesto que el delicado equilibrio en el que se basa y sostiene nuestro hogar (el planeta Tierra), se ve cada vez más amenazado por la a ctitud de descuido e irrespeto con la que actuamos gran parte de quienes la habitamos. Olas de exagerado frío así como excesivos registros de calor delatan que los efectos de los cambios de temperatura ponen en escena la vulnerabilidad de las especies que habitamos el planeta.

El calentamiento global hoy más que nunca, se evidencia a diario y amenaza con alterar el tiempo de vida del planeta.

Reflexiono

Conforma grupos de trabajo con tus compañeros de clase y socializa las respuestas.

1. Señala las causas más importantes que originan el calentamiento global.

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2. Enumera los efectos más notorios que evidencian el conflicto.

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3. Explica algunos aportes con los que puedes contribuir para solucionar este problema.

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4. ¿Te parece exagerada la posición de las organizaciones ecológicas que defienden al planeta frente a este fenómeno?

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Temperatura.

Podría decirse que la temperatura es una medida de cuan frío o caliente se encuentra un objeto, sin embargo, las expresiones que hacen alusión al frío o calor no tienen cabida en el lenguaje científico, aunque en el trato cotidiano se lo usa sin ningún problema.

La inconsistencia se debe a la relatividad de esos calificativos, ya que de-pende de la sensibilidad de cada persona para enfrentar los cambios de temperatura en su cuerpo. Un buen ejemplo para aclarar esta apreciación es el siguiente:

Se dispone de tres recipientes con la misma cantidad de agua. En el primero, el agua está fría, en el segundo tibia y en el tercero caliente. Si una persona introduce su mano en el primer recipiente de agua fría y luego en el segundo de agua tibia, seguramente va a creer que el agua está caliente. Si después esta misma persona, secándose su mano, vuelve a realizar el procedimiento pero comenzando por el tercer recipiente de agua caliente, para luego pasar al segundo recipiente de agua tibia, la sensación será diferente, pues se pensaría que el agua está fría.

Para no dejar que la realidad se base en función de las sensaciones que percibimos, es necesario utilizar el concepto correcto de temperatura.

A nivel microscópico, las moléculas de un cuerpo se encuentran vibrando aleatoria y continuamente, de tal forma que su velocidad varía de forma permanente en dirección y magnitud afectadas por la influencia de las otras, por esta razón, se habla de velocidad media y consecuentemente de energía cinética media. La temperatura es una magnitud escalar que depende del valor de la energía cinética media molecular. Mientras mayor sea la intensidad de dicha vibración molecular, aumentará la energía cinética media y mayor temperatura tendrá el cuerpo. Se debe entender que hasta en el hielo existe algún grado de vibración de sus moléculas, siendo viable que solo cuando la temperatura alcanza su mínimo valor posible, la vibración de las moléculas y por ende su energía cinética media sea nula. El valor de esta temperatura fue predicho teóricamente por medio de una proyección en un principio como el equivalente a -273 °C, y confirmada más tarde.

Escalas de temperatura

Para cuantificar la temperatura deben utilizarse escalas, que pueden ser relativas o absolutas.

Escalas de temperatura

Relativas

Utilizan dos puntos fijos de referencia

Absolutas

Definen un solo punto de referencia

Celsius Fahrenhei Kelvin

Glosario

Temperatura.- Es una medida de la energía

En el establecimiento de las escalas relativas, Celsius y Fahrenheit definen a los dos puntos de referencia como los correspondientes al punto de congelamiento del agua y a su punto de ebullición, considerados a condiciones normales de presión y en ausencia de transferencia de energía externa. SI el caso de la escala Celsius, se asignan valores de O °C y 100 °C para -os puntos, mientras que en la escala Fahrenheit los valores asignados son 32° F y 212° F .

Entre los dos niveles de referencia, se tiene un intervalo de 100 °C en un aso y de 180 °F en el otro. De tal forma que para proceder a establecer una ecuación matemática que permita la conversión entre una y otra escala, se realiza la siguiente relación basada en la igualdad geométrica de segmentos:

T0 ,−32180

=T oC

100

de donde simplificando !a relación queda:

T0 F−329

=T 0C5

Esta expresión la puedes utilizar para transformar valores de temperatura de una escala a otra.

La escala absoluta Kelvin toma un solo punto de referencia, que se le asigna por definición al valor más bajo de temperatura posible y al que se le denomina "cero absoluto", porque le corresponde el valor de O K, eliminando así el criterio relativo de valores de temperatura negativas. En vista de que por construcción Kelvin definió que el tamaño de 1 K es igual al de 1 °C, se sabe que la temperatura de O K equivale a -273 °C.

Si observas la imagen anterior, podrás notar que la temperatura expresada en Kelvin es siempre mayor que su correspondiente temperatura expresada en grados Celsius, siendo fa relación que permite transformarlas:

T k=T oC+273

Recuerda

No es correcto por convención expresar una lectura en grados Kelvin, sino únicamente se los designa como Kelvin K.

Cuando necesites transformar una temperatura expresada en °F a K o viceversa, es inevitable convertir primero la temperatura a la escala Celsius.

Un parámetro que es muy utilizado en el tratamiento de los fenómenos térmicos es la variación de temperatura AT, que se define como la diferencia existente entre los valores de temperatura final e inicial.

∆T=T f−T o

Si la variación de temperatura de una sustancia tiene signo positivo, significa que la temperatura final es mayor que la inicial, y por lo tanto se asocia con el calentamiento de la sustancia. Mientras que si la variación de temperatura es negativa, se hace referencia a un enfriamiento de la sustancia, ya que la temperatura final alcanzada sería menor que la temperatura inicial.

Cuando requieras transformar variaciones de temperatura expresadas en una escala a otra, no puedes hacer uso de las relaciones anteriormente enuncia-das, en vista de que estas sirven exclusivamente para la conversión de valores de temperaturas puntuales; en este caso debe tenerse en cuenta que:

1K = 1°C 180°F = 100°C

o preferiblemente 9°F = 5°C

por lo que siempre puedes tener en cuenta que la variación de temperatura expresada en Kelvin será igual en cantidad a la expresada en grados Celsius; mientras que la variación de temperatura en grados Celsius será 1.8 veces mayor que la que corresponde a grados Fahrenheit.

∆T oC=∆Tk ∆T oC=1.8 ∆T of

Ejemplificación

Ejemplo 1

Convierte: a) 158 °F a °C b) 45 °C a °F

a) Con la temperatura conocida de 158 °F reemplaza en la relación deducida

158−329

=T oc

5 T oc=70° C

b) En este caso, reemplaza 45 °C en el lugar apropiado de la ecuación

Tof−329

=455

T of=113° F

Ejemplo 2

Una mañana muy temprano el termómetro registra 50 °F. Si para el mediodía se ha producido un aumento de temperatura de 13 K, ¿cuál será la temperatura expresada en la escala Celsius?

a) Reconoces los valores proporcionados en el enunciado

• Temperatura inicial T= 50 °F • Variación de temperatura ∆T= 13 K

b) Escoges la ecuación aplicable a los datos con que se cuenta y remplazas

∆T=T f−T o 13K=T f−50° F

c) Al no poder operar con valores de temperatura expresados en distintas escalas, transformas los valores a °C en este caso, porque la respuesta se requiere expresarla en grados Celsius.

∆T= 13 K= 13 °C, porque se trata de una variación de temperatura.

50−329

=T oC

5T oC=10 ° C, porque se trata de una temperatura especifica.

d) Encuentras el valor deseado: 13°C = Tf -10°C => Tf = 23° C

Que es la dilatación térmica?

Cuando un objeto experimenta cambios de temperatura, está sujeto a sufrir una serie de cambios en sus propiedades físicas, entre los cuales se destaca la dilatación que hace referencia al cambio de sus dimensiones, sin que su masa se vea alterada.

Sin importar el estado físico en el que se encuentren, tanto los sólidos, los líquidos o los gases aumentan su tamaño (se expanden) cuando la temperas se incrementa y disminuyen su tamaño (se contraen) cuando se reduce la temperatura.

Para comprobarlos podrías realizar una experiencia sencilla en la que necesitas contar con un anillo y una esfera metálica ligeramente de menor diámetro de tal forma que la esfera logre pasar con alguna dificultad por el interior del anillo. Con la ayuda de unas pinzas calientas cuidadosamente al fuego a esfera por un intervalo de tiempo correspondiente a unos 30 segundos aproximadamente, tiempo después del cual lograrás visualizar que la esfera ya no puede atravesar el anillo como lo hacía antes, quedando en evidencia que ha sufrido un aumento en su volumen.

Una experiencia similar consiste en hacer pasar por una ranura estrecha a una moneda a temperatura normal; al calentar la moneda se observará que ya no logra introducirse en la ranura, como consecuencia del efecto producido por la expansión térmica.

Conexión con la Se puede observar una experiencia sencilla e interesante en el video ubicado en la página web de youtube bajo la búsqueda de dilatación de los metales o a través del enlace http://www.youtube.com/watch?y=HO-USkXYMGY&playnext=l8list=PL 5ED98FCD885E346C&feature=results_video

La densidad de los objetos también se verá afectada por este comportamiento, de tal forma que si tienes en cuenta que la densidad se determina como la razón entre la masa y el volumen de un cuerpo, al aumentar la temperatura, también lo haría el volumen, lo que genera que la densidad disminuya. De tal forma en caso de que la temperatura disminuya, el volumen se reduce y la densidad se incrementa. Este razonamiento justifica el hecho de que a medida que las sustancias se calientan, los espacios intermoleculares se amplían mostrándose menos compactas, y cuando se enfrían se presentan más compactas, debido a la reducción de dichos espacios.

La dilatación térmica se estudia didácticamente en función de la dimensión que mas prevalece, según sea el caso. Así, por ejemplo, en una varilla si bien todas sus dimensiones se ven afectadas con la variación de temperatura, es la longitud que la impera, por lo que se asume que se trata fundamentalmente de una dilatación longitudinal. En el caso de una lámina, la dilatación se considera superficial, porque se ven involucrados cambios tanto en su largo como también en su ancho, pasando su espesor a ser despreciable; mientras que para un recipiente se valida que la dilatación es volumétrica, ya que se alteran unes: largo, ancho y profundidad.

Un caso que merece destacarse, ya que es extremadamente interesante y particular, es el de la dilatación del agua, pues adopta un patrón diferente al convencional. En el intervalo de temperaturas correspondiente a O °C y 4 °C, el agua en lugar de expandirse como es normal para el resto de sustancias por el aumento de temperatura, se contrae, lo que da lugar a que su densidad se incremente. Es decir, existe un intervalo de temperatura en que el agua aumenta su densidad alcanzando su valor máximo (1000 kg/m= a 4 °C ), siendo el hielo menos denso que ella y por eso el agua cede su posición para ubicarse por debajo del hielo. Este hecho explica entre otras cosas por ejemplo, la razón por la que en lugares en donde existen estaciones climáticas más drásticas, los lagos se congelan únicamente en su superficie, permitiendo que el agua que se encuentra a más temperatura (cercana a 4 °C) y que es más densa, se aloje en el fondo del lago y permita que las especies marinas puedan conservarse sin problema.

Otro de los efectos causados por la dilatación y contracción de los objetos, es su incidencia en la resistencia eléctrica de un conductor, pues como recordarás, en el bloque anterior revisaste que la resistencia eléctrica entre otros factores depende de la longitud, así como del área transversal del elemento, y como tales se ven afectados por el cambio de temperatura. Por eso si la temperatura aumenta, acarrea también un aumento en el valor de la resistencia eléctrica, lo que determinaría que frente a la presencia de una diferencia de potencial constante, la intensidad de corriente

Todo cuerpo que experimenta un aumento de temperatura sufrirá una dilatación volumétrica (en sus tres

disminuya. Por supuesto, el efecto contrario aparece si es que existe una disminución de la temperatura, ya que la corriente que circula por un elemento conductor aumenta en vista de que la resistencia eléctrica se reduce. Lo anteriormente mencionado, como te darás cuenta, afecta de manera contundente al cumplimiento de la ley de Ohm, que explica el comportamiento de una resistencia de valor constante. Sobre la base de lo explicado, puedes concluir que la variación de temperatura propicia un comportamiento no óhmico de los elementos conductores.

Si consideras la actividad de un nadador, podrías dimensionar el efecto que tiene sobre su desempeño la temperatura del agua. Si la temperatura es baja, las venas de su cuerpo se contraen, estimulando la circulación sanguínea, propiciándole una sensación confortable de movilidad en cada uno de sus músculos (debes entender que si la temperatura es excesivamente baja, podría entrar en estado de hipotermia que no es recomendable), mientras que si la temperatura es alta, la circulación de sangre en su cuerpo se verá limitada, generándole dificultades en el desarrollo de sus destrezas físicas demandando mayor esfuerzo físico.

Cabe mencionar como relevantes también, todas aquellas situaciones en las que se requieren utilizar materiales con un reducido comportamiento dilatorio que cumplan con especificaciones propias para el propósito que persiguen. Tal podría ser el caso del uso de materiales cerámicos para los tratamientos dentales como coronas y resinas, así como los metálicos en la elaboración de prótesis odontológicas; de igual forma, los clavos y demás aditamentos quirúrgicos que se colocan en operaciones para fijar estructuras óseas a sus posiciones correctas. En el campo de la construcción, por ejemplo, la composición de los materiales con que se elabora el hormigón debe tener un comportamiento expansivo y contractivo bastante parecido al de la estructura de hierro y/o acero sobre la que se vierte, de tal manera que se comporten como un solo elemento frente a la acción de los cambios de temperatura. En cuanto al tendido del cableado eléctrico y telefónico, se lo hace de manera distendida durante la estación seca, de tal forma que en la estación lluviosa, donde existe una contracción por el efecto de la disminución de la temperatura, estos no se tensen excesivamente y se rompan.

Los factores que afectan el cambio de dimensiones en un objeto, revisemos el s e caso de una varilla de longitud Lo sujeta a un cambio de temperatura ∆T que origina en ella una variación de su longitud ∆L.

En la construcción de aceras, puentes y otras estructuras, se colocan juntas de dilatación entre los tramos que la conforman, para evitar que en el verano o en invierno, al

La magnitud de la variación de longitud que experimenta la varilla es directamente proporcional a la longitud inicial L. y a la variación de temperatura que se aplica ∆T.

∆ L∝Lo∆T

¿Se comportará de la misma forma una varilla hecha de otro material? De hecho, el material también juega un papel importante en el efecto del cambio de longitud de la varilla y de allí que la constante de proporcionalidad que complementa la relación anterior se denomina coeficiente de dilatación lineal, y su valor es constante para cada tipo de material.

∆ L=Lo∝∆T

Para que establezcas las unidades en las que se expresa el coeficiente de dilatación, puedes despejar:

∝= ∆ LLo∆T

y notarás que la unidad es °C-1 .

De igual manera aparecerán las expresiones relacionadas con los casos superficial y volumétrico, siendo sus expresiones las siguientes:

∆ S=So β ∆T ∆V=V o γ ∆T

Conexión con otras ciencias

Una de las causas para que el vidrio pyrex sea capaz de soportar bruscos cambios de temperatura, se debe a que está construido con un material especial que tiene un coeficiente de dilatación tres veces menor que el

en donde β y γ representan a los coeficientes superficial y volumétrico de dilatación, respectivamente, que en el caso de los sólidos equivalen al valor del coeficiente lineal de dilatación del material multiplicado por dos y tres correspondientemente:

β=2α γ=3α

En el caso de los líquidos y gases la dilatación es volumétrica, pero hay que cuenta que adoptan la forma de los recipientes en donde se hallan =- idos y que estos también serán objeto de dilatación. Debes tener cuidado para distinguir que existe entonces dos dilataciones simultáneas y que el cambio de volumen que observas no es real, ya que el recipiente también modificó sus dimensiones.

Recuerda

Los líquidos y gases se dilatan de manera volumétrica, por lo que se tabulan generalmente sus coeficientes de dilatación volumétrica γ .

Ejemplificación

Ejemplo 1

Determina el coeficiente de dilatación lineal del material del que está hecho una lámina que mide 2.10 m de largo y 1.20 m de ancho, si conoces que cuando se enfría 75.0 °C su superficie experimenta una disminución de 6.80 x 10-3 m2.

a) Lista los datos con que cuentas

Largo L1 = 2.10 m

Ancho L2 = 1.20 m

Variación de temperatura ∆T = -75.0 °C

Variación de superficie ∆S = -6.80 x 10-3 m2 porque se trata de une disminución.

b) Después de determinar la superficie inicial, reemplaza los datos en la ecuación apropiada:

Superficie inicial S0 = L1 x L2= 2.10 m x 1.20 m = 2.52 m2

∆S = S0β ∆T => -6.80x10-3m2 =2.52 m2 x βx (-75.0°C)

β= −6.80 x10−3m2

2.52m2 x (−75 °C)=¿ β=3.60 x 10−5 °C−1

c) Para obtener el valor del coeficiente de dilatación lineal del material de la lámina, debes dividir para dos el valor de β3

β=2α α= β2=3.60 x 10

−5

2=¿α=1.80 x10−5° C−1

Ejemplo 2

Un recipiente de vidrio de 1.0 litro de capacidad está completamente lleno de alcohol a una temperatura ambiente de 15 °C. Cuando se aumenta la temperatura del conjunto a 60 °C, se observa que parte del alcohol se derrama, ¿cuál será el volumen de alcohol derramado? Se

proporcionan los valores de γ alcohol=1.1 x10−3 °C−1 y α vidrio=0.90 x10

−5° C−1

a) Tienes los siguientes datos en este ejercicio:

Volumen inicial del recipiente vidrio y del alcohol Vo = 1.0 litro

Temperatura inicial del recipiente vidrio y del alcohol To = 15 °C

Temperatura final del recipiente vidrio y del alcohol To= 60 °C

Coeficiente de dilatación volumétrico del alcohol γ alcohol=1.1 x10−3° C−1

Coeficiente de dilatación lineal del vidrio α vidrio=0.90 x10−5 °C−1

b) Debes calcular por separado la expansión de volumen que tendrán tanto el recipiente de vidrio, así como el alcohol contenido en él.

Para el alcohol ∆V=V o γ ∆T

∆T=¿ 1.0 litro x (1.1 x10-3 °C-1) x (60 -15)°C => V = 5.0 x10-2 litros

Para el recipiente ∆V=V o γ ∆T

∆V = 1.0 litro x (3 x 0.90 x 10-5°C-1) x (60 - 15) °C =>V = 1.2 x10-3 litros

c) En vista de que el cambio de volumen del alcohol es mayor que el cambio de volumen del recipiente, encuentras la diferencia entre los dos valores de volúmenes finales calculados.

V derramado=5.0 x 10−2litros−1.2 x10−3litros=¿V derramado=4.9 x10

−2litros

Actividades

1. Con la gula de tu profesor crea tu propia escala relativa de temperatura y establece las relaciones para =Drenar valores de tu escala a Celsius y Fahrenheit.

2. Un día determinado uno de tus primos pequeños se siente con fiebre y a falta de un termómetro graduado en °C. en casa, solo encuentras uno graduado en °F y estableces que su temperatura corporal es 98.5 °F. Determina si la temperatura evidencia un potencial problema.

3. Encuentra el valor de la temperatura a la que hay que enfriar una varilla de aluminio de 30.12 cm de longitud cuando se halla a 200.0 °C para que quepa precisamente en un estuche de 30.00 cm de longitud. El coeficiente de dilatación lineal del aluminio es 2.400 x 10-5 °C-1

4. La densidad del oro a 0 °C es 18.3 g/cm3 y su punto de fusión se registra alrededor de 1.06 x 103 'C. Si es que el coeficiente de dilatación volumétrico del oro es 1.50 x 10-5°C-1, estima el valor de la mínima densidad que puede alcanzar el oro antes de fundirse y convertirse en líquido; expresa su posible variación en porcentaje.

Calor

Para comprender el concepto de calor, es necesario que idees una situación en la que dos cuerpos que se encuentran a diferente temperatura se pongan en contacto. El cuerpo que tiene mayor temperatura, procede a entregar energía al cuerpo que tiene menor temperatura, lo que origina

Glosario

Calor. Es una forma de energía en movimiento que aparece cuando dos cuerpos que se

que la temperatura del primero vaya disminuyendo, a la par que el segundo cuerpo que recibe energía evidencia esta ganancia mediante un incremento de su temperatura. Cabe mencionar que todos los cuerpos tienen energía interna (de la que hablaremos detalladamente en el tema 2 de este bloque) y que una parte de ella es transmitida en forma de calor.

Puedes definir al calor que se representa con ∆Q, como la energía que fluye entre dos cuerpos que se juntan a diferentes temperaturas. La dirección del flujo de energía será siempre la que parte desde el cuerpo que presenta mayor temperatura hacia el que tiene menor temperatura. El calor se expresa en joules (J) que son unidades de energía.

El proceso de transferencia de energía, dura hasta que los dos cuerpos logren igualar sus temperaturas, siendo este el instante en que alcanzan el denominado equilibrio térmico. La condición esencial de este fenómeno radica en que el sistema se encuentre térmicamente aislado, esto es, que no existan fuentes que entreguen o extraigan energía al conjunto, y por lo tanto, la energía que gana el cuerpo de menor temperatura sea igual a la energía que pierde el cuerpo de mayor temperatura, lo que equivale a formularse bajo el enunciado "calor ganado es igual a calor perdido", que implica el principio de conservación de energía:

∆Qganado=−∆Q perdido

En la ecuación anterior, el signo menos que se escribe en el lado derecho, se debe al hecho de que el calor perdido es una cantidad negativa y se requiere corregirla para forzar al cumplimiento de la igualdad matemática.

Recuerda

Cuando dos cuerpos que tienen diferentes temperaturas se ponen en contacto, intercambian energía pero no temperatura. La variación de temperatura que experimenta cada cuerpo es el resultado de la pérdida o ganancia de energía.

En la vida real, siempre existirán pérdidas ocasionadas por diversos factores que afectan la eficiencia en la transmisión de calor y que restan eficacia a este principio, no obstante, asume

Calor. Es una forma de energía en movimiento que aparece cuando dos cuerpos que se

Conexiones con la vida

En todos los paquetes de alimentos que consumes, viene registrada una tabla que contiene la información nutricional.

Los alimentos al digerirse se descomponen en el interior del

como plenamente válida la conservación de la energía, a menos que explícitamente se señale lo contrario.

En vista de que la energía necesaria para conseguir que una sustancia cambie su temperatura es provista por un agente externo, tiene pleno sentido asociarlo con el trabajo realizado por dicho agente. De allí que es completa-mente factible, manejar parámetros en los que la potencia de calentamiento o enfriamiento pueda utilizarse.

Calor específico

En el caso de que un objeto cambie su temperatura, el calor requerido puede determinarse en función de algunas variables tales como la masa del objeto y la variación de temperatura que experimenta, con las cuales mantiene una relación proporcionalidad directa.

∆Q∝m∆T

Nuevamente el material del cual está conformado el objeto tiene incidencia en la energía que se desprende en forma de calor a través de una propiedad física conocida como calor específico, que es propio e invariable para cada material, designándose con la letra c y se define como la cantidad de energía requerida para que un kilogramo de una sustancia varíe su temperatura en un grado Celsius o en un Kelvin.

c= ∆Qm∆T

Como podrás apreciar el calor específico vendrá expresado indistintamente en J

kgoCo en

Jkg .K

en vista de que la variación de temperatura será equivalente en grados Celsius o en Kelvin.

Puedes analizar las siguientes situaciones:

Intentas comer un pedazo de pizza caliente recién sacada del horno, si bien aparenta estar a una temperatura "moderada" en su exterior, y cuan-do la muerdes puedes llegar a quemarte porque su relleno está a altísima temperatura.

Estás en la playa y el día ofrece un sol intenso; el pisar descalzo en la arena se convierte en una situación extremadamente insoportable que te pone en aprietos, y tienes que buscar un espacio con sombra de manera urgente.

Te sientes con escalofrío en una noche muy fría, y para conciliar el sueño utilizas una bolsa con agua caliente que proporcione mayor temperatura a tu cuerpo.

Glosario

Calor específico. Es la cantidad de energía requerida para conseguir que un kilogramo de una sustancia varíe su temperatura en un

Recuerda

Mientras mayor sea el valor del calor específico de un material, mayor será el tiempo que requiera para cambiar su temperatura, siendo el agua la sustancia que

Si quieres ver una simulación de un experimento calorimétrico puedes

En todos los casos señalados existe un patrón que hace referencia a la habilidad o capacidad que tienen las distintas sustancias para poder calentarse o enfriarse con más o menos facilidad. Así en la primera experiencia, aunque el horno proporciona la misma cantidad de energía a todos los componentes de la pizza, estos no alcanzan una temperatura uniforme, siendo siempre la masa (pan) la que menos se calienta. De igual manera, en el segundo caso la arena puede calentarse o enfriarse con una rapidez asombrosa, lo que implica que la cantidad demandada de energía para que una unidad de masa aumente o disminuya su temperatura es muy baja. En el tercer caso si llenaras la bolsa de agua con otro líquido, muy probablemente se enfriaría rápidamente, lo que arruinaría la intención que persigues, pues lo que se busca es contar con una fuente prolongada de calor.

El agua tiene el valor más elevado de calor específico existente, por lo que su comportamiento apunta a preservar la temperatura en un rango de tiempo significativo. El valor del calor específico

del agua es 4180 J

kg . K , que indican que para que 1 kg de agua enfríe o caliente su temperatura

en 1 K, se requiere absorber o proporcionar respectivamente 4180 J de energía.

Te será útil también conocer el calor específico del hielo y del vapor de agua, que casualmente y

de manera curiosa tienen el mismo valor: 2090 J

kg . K

Ejemplificación

Ejemplo 1

Calcula la cantidad de energía necesaria para que dos litros de agua logren calentarse desde la temperatura ambiente de 15 °C hasta 75 °C.

a) Identifica los datos proporcionados

Volumen de agua V = 2.0 litros

Temperatura inicial To = 15 °C= 288 K

Temperatura final Tf = 75 °C= 348 K

Calor específico del agua c = 4.2 x 103 J

kg . K

b) Determina el valor de la masa de agua presente teniendo en cuenta de que la densidad del agua indica que 1 litro corresponde a 1 kg, razón por la que en este caso existen 2 kg de agua.

Conexión con la tecnología

Si quieres ver una simulación de un experimento calorimétrico puedes

c) Remplaza en la ecuación respectiva los datos, teniendo en cuenta que la variación de temperatura expresada en Kelvin es igual que en grados

Celsius: = ∆Q=mc∆T

∆Q=2.0kgx (4.2x 103 Jkg . K ) x (348−288 ) K=¿∆Q=5.0 x105 J

Ejemplo 2

Calcula el tiempo requerido para calentar una piscina de 25 m de largo, 10 m de ancho y 2.0 m de profundidad, si para conseguir elevar la temperatura desde 11 °C hasta 24 °C, se cuenta con un sistema de climatización de 80 kW. Recuerda que en 1 metro cúbico existen 1000 litros.

a) Los datos conocidos en este caso son:

Dimensiones de la piscina 25 m x 10 m x 2.0 m

Temperatura inicial T.= 11 °C = 284 K

Temperatura final Tf = 24 °C = 297 K

Calor específico del agua c = 4.2 x 103 J

kg . K

Potencia del sistema P = 80 kW = 80 x 103 W

b) Establece el volumen de agua para encontrar la masa de agua presente

Volumen = 25 m x 10 m x 2.0 m = 5.0 x 102m3

Masa de agua en la piscina sería 5.0 x 105 kg

c) Calcula la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura del agua:

∆Q=(5.0 x105 kg )x (4.2x 103 Jkg .K )x (297−248 )K=¿∆Q=2.7 x1010 J

d) Recuerda que la potencia es la razón entre el trabajo y el tiempo. En este caso, el trabajo realizado por el sistema de climatización equivale si es que no hay pérdidas como es de asumir en este caso, a la energía requerida para conseguir este propósito.

P=Wt

=∆Qt0>t=∆Q

P=2.7x 10

10

80 x1030>t=3.4 x105 s

d) Transportamos a horas para expresar la respuesta de una manera apropiada:

3.4 x 105 s x1h3600 s

=94 haproximadamente

Ejemplo 3

Si en un recipiente reposan 750 g de agua a 90.0 °C y con el objetivo de enfriarla se añaden 200 g de agua a 15.0 °C, ¿cuál sería la temperatura final que alcanza el conjunto?

a) El listado de los datos proporcionados en el problema son:

Masa de agua en el recipiente m1= 750 g

Temperatura de agua en el recipiente T1 = 90.0 °C

Masa de agua adicionada m2 = 200 g

Temperatura de agua adicionada T2 = 15.0 °C

Calor específico del agua c =4.2 x 103 J

kg . K

b) Con la certeza de que tienes de que en este caso solamente se van 01111) a experimentar cambios de temperatura, es imprescindible que caigas en cuenta que va a existir un intercambio de calor entre ambas partes, buscando alcanzar la condición de equilibrio térmico. Para establecer la temperatura a la que eso sucede, fórmulas el principio de calor ganado es igual al calor perdido. En este caso, el agua que se añade es la que gana energía, mientras que la que pierde energía es el agua que se encuentra originalmente en el recipiente.

∆Qganado=∆Q perdido

m2 c∆T 2=−m1 c ∆T1

200 gx (T 1−150 °C )=−750g x (T 1−90.0 ° C)

950T1=7.05 X 104

T1=74.2°C

Ejemplo 4

¿Cuál es el volumen de agua a 70 °C que hay que agregar a 2.5 kg de agua a 10 para que a temperatura final de la mezcla sea 60 °C?

a) Detallamos los valores conocidos:

Masa de agua en el recipiente m1=2.5 kg

Temperatura de agua en el recipiente T1=10

Temperatura de agua añadida T2=70

Temperatura final deseada del conjunto T1=60

b) Nuevamente debes plantear la búsqueda del equilibrio térmico siguiendo el mismo esquema que en el ejemplo 3:

∆Qganado=−∆Q perdido

m1 c∆T 1=−m2 c ∆T2

2.5kg x (60−10 )=−mx (60−70)

2.5kg x 50=−mx (−10)

m=2.5kg x 5010

m= 13 kg aproximadamente

Actividades

1. Calcula la temperatura a la que se puede enfriar 80 g de hielo que se encuentran a -5.0 °C, cuando se colocan en una nevera que absorbe 4,1 x 103J en un tiempo determinado.

2. Un bloque de aluminio de 2.75 kg se le impulsa inicialmente con una rapidez de 6.5 m/s sobre una superficie horizontal. Como resultado de la oposición ejercida por la fuerza de fricción, el bloque se detiene. ¿Cuál es la variación de temperatura que experimenta el bloque si el 70% de su energía se convirtió en calor?

.

3. Un recipiente de aluminio de 120 g contiene 250 g de agua a 15.0 °C. Cuando se coloca en el agua un trozo de cobre a 180 °C, el sistema se equilibra a 21.0 °C. Determina el valor de la masa

del cobre si se conoce que el calor específico del aluminio es 8.80 x 102 J

kg . K y el del cobre es

3.85 x 102 J

kg . K

Calor latente

La materia como ya lo sabes, puede presentarse en varios estados de los cuales los tres más conocidos son sólidos, líquidos y gaseosos.

Las moléculas que conforman una sustancia sólida, ocupan posiciones en estructuras más o menos rígidas acorde a fuerzas intermoleculares significativas; en los líquidos, que se caracterizan por adoptar la forma del recipiente que los contiene, las fuerzas se vuelven mucho más débiles pero aún están presentes; y para el caso de los gases, definitivamente las fuerzas intermoleculares pueden considerarse nulas debido a su valor extremadamente pequeño, hasta el punto de romper los enlaces atómicos y presentarse como átomos libres. Puede hablarse también de que las

Conexión con otras

moléculas presentan energía potencial y que está asociada a la posición que tienen las moléculas con respecto a otras, que se verán afectadas cuando formen parte de un cambio de estado.

Es indispensable que tengas presente, que el cambio de estado se produce como el resultado de un cambio de energía que experimenta la sustancia, y que no es como se cree erradamente, un proceso espontáneo que debe darse por hecho. Estamos acostumbrados a observar que el hielo se derrite sin ningún inconveniente en nuestro medio... pero ¿se derretiría el hielo si estuviéramos en la Antártida? ¡Claro que no!

Los procesos de cambio de estado demandan una inversión de energía para conseguirlo, siendo en el caso del hielo que se derrite, el aire que está en el ambiente el responsable de generar un proceso de transferencia de calor con el hielo. Al encontrarse el aire a una temperatura mayor, será este el que entrega energía al hielo, y de allí que consiga en determinado punto, derretirlo y convertirlo en agua.

Otro factor fundamental a tomar en cuenta, es que un cambio de estado no puede tener lugar al mismo tiempo que un cambio de temperatura. Simplemente es imposible que estos procesos se generen de manera simultánea en condiciones normales. Debes tener presente que los cambios de estado se producen a temperaturas fijas propias para cada elemento y a ciertos valores de presión.

Para que lo tengas claro, supongamos el caso que tengas una cantidad de hierro a una temperatura de -20° C por ejemplo. Si procedes a suministrarle energía con la ayuda de una fuente de calor, notarás que la temperatura comienza a elevarse hasta alcanzar una temperatura de 0° C (punto de fusión del hielo), y en la que se mantendrá por un lapso de tiempo mientras está cambiando de estado a líquido (agua). Una vez completada la transición a su nuevo estado, frente al continuo suministro de energía, nuevamente será la temperatura la que se modificará hasta alcanzar 100° C (punto de ebullición del agua acondiciones normales). La temperatura no puede elevarse más, mientras no se concrete la conversión integra al estado gaseoso. Una vez convertido en vapor de agua, la temperatura podría elevarse indefinidamente hasta que cese el abastecimiento de energía por parte de la fuente de calor.

Si el proceso mencionado se Nevara en sentido opuesto, la descripción sería idéntica, con la única diferencia que la fuente no proporciona energía sino que en ese caso la absorbe, tal como lo hace un refrigerador, por ejemplo.

La cantidad de energía necesaria para conseguir que los procesos de cambios de estado tengan lugar, está sujeta a la incidencia de la masa y a la naturaleza del material involucrado. Así, la cantidad de energía que requiere un kilogramo de hielo para fundirse, no será la misma que la que se necesita, para que se fundan diez kilogramos; un kilogramo de hielo requiere de una cantidad

Conexión con otras

Existe un cuarto estado de la materia denominado plasma, que es gas que a altísima temperatura adopta propiedades eléctricas, en vista de la ionización de sus electrones y por lo tanto núcleos libres. En el interior de las lámparas fluorescentes o de los focos ahorradores ahorre plasma que es el que

Un cambio de estado se produce a temperaturas fijas, llamadas puntos de estado. En un cambio de estado no puede haber

Conexión con la tecnología

Existe una simulación magnífica que te ayudará a comprender y reforzar lo expuesto en el

de energía para fundirse que no tiene nada que ver con la que necesita un kilogramo de plomo para conseguir el mismo objetivo.

El calor latente L que es un valor propio y característico para cada tipo de material, representa la cantidad de energía requerida para que un kilogramo de ese material presente en un determinado estado físico, se convierta completamente en otro estado físico cercano. Se expresa por medio de

L=∆Qm

y las unidades en que se expresa son

Jkg

Por lo tanto, se desprende que para el caso de un cambio de estado, se calcula el calor requerido a través de:

∆Q=mL

Algunos valores muy útiles que ocuparás con frecuencia son:

Calor latente de fusión del hielo LF=3.4 x 105 Jkg

Calor latente de solidificación del agua Ls=−3.4 x105 Jkg

Calor latente de vaporización del agua LV=2.3x 106 Jkg

Calor latente de condensación del vapor LC=−2.3 x 106 Jkg

Debes observar que los valores son idénticos para procesos inversos pero que cuentan con signos opuestos, según se suministre o absorba energía.

La evaporación y ebullición son dos fenómenos asociados con cambio de estado que presentan cierto parecido pero no son iguales. En ambos casos se persigue transformar líquido en gas, pero responden a características distintas. La evaporación tiene lugar a cualquier temperatura y se realiza estricta-mente a niveles superficiales del líquido, siendo buenos ejemplos la evaporación de la transpiración a través de la piel o la evaporación de la capa de agua formada en la calle cuando

Existe una simulación magnífica que te ayudará a comprender y reforzar lo expuesto en el

Recuerda

El calor específico se asocia de inmediato con cambios de temperatura;

ha dejado de llover. La ebullición, en cambio, se produce a una temperatura fija e involucra la consideración de todo el volumen del cuerpo; así el agua entrará en proceso de ebullición a 100 °C (valor de temperatura que variará acorde a la presión atmosférica existente en el lugar).

La evaporación es considerada, adicionalmente, como un proceso de enfriamiento, en vista de que las moléculas que requieren energía suficiente para evaporarse, se aprovechan de la energía proporcionada por la colisión con otras moléculas, que a su vez pierden energía cinética media molecular, y como consecuencia se ven obligadas a disminuir la temperatura. Se debe tener en cuenta como factores que aceleran o retardan la intensidad de líquido evaporado, al área de la superficie libre de líquido, a la existencia de corrientes de aire (viento) cercanas a la superficie, así como a la temperatura y presión a la que se encuentra el líquido.

Ejemplificación

Ejemplo 1

Se proporciona una energía de 7.8 x 104J a un pedazo de hielo de 0.25 kg que se encuentra a 0 °C. Establece el porcentaje de hielo derretido.

a) Tienes conocimiento de los valores siguientes:

Energía o calor suministrado ∆Q=7.8 x104 J

Masa de hielo m=0.25 kg

Temperatura del hielo T=0°C

Calor latente de fusión del hielo LF=3.4 x 105 Jkg

b) No tienes necesidad de considerar ningún cambio de temperatura, en vista de que el hielo se encuentra en su punto de fusión, por lo que debes aplicar directamente la ecuación del calor requerido para cambio de estado, con el fin de determinar la masa de hielo que puede fusionarse con la energía suministrada:

∆Q=mL=¿7.8 x104 J=m(3.4 x105 Jkg )m= 7.8 x104 J

3.4 x105Jkg

=¿m=0.23kg

c) Estableces el porcentaje de hielo derretido, formando una razón entre la masa convertida en agua y la masa total multiplicada por el factor 100

El calor específico se asocia de inmediato con cambios de temperatura;

%hielo derretido ¿0.23kg0.25kg

x 100=¿%hieloderretido=92%

Ejemplo 2

Calcula la masa de alcohol que se puede vaporizar cuando se le suministra la misma cantidad de calor que la que se proporciona para vaporizar un kilogramo de agua. El calor latente de

vaporización del alcohol es Lv=8.8x 105 Jkg

a) Cuentas como conocidos los datos:

Masa de agua m= 1kg

Calor latente de vaporización del agua Lv=2.3 x 106 Jkg

Calor latente de vaporización del alcohol Lv=8.8x 105 Jkg

b) Si te fijas bien, la cantidad de calor requerida para vaporizar un kilogramo de agua es justamente el valor del calor latente proporcionado, ya que indica que se requieren 2.3 x 106 J

c) Ahora debes encontrar la masa de alcohol que se evapora con esa cantidad de energía:

∆Q=mL0>2.3x 106 J=m(8.8 x 105 Jkg )m= 2.3 x106 J

8.8 x105Jkg

=¿m=2.6kg

Actividades

1. Determina la potencia de un frigorífico capaz de enfriar y congelar en una hora, medio litro de agua que inicial mente se halla a 20.0 °C colocados en su interior. Realiza las suposiciones que consideres apropiadas.

2. No es un caso raro, que cuando estás apurado en la mañana mientras te preparas a tomar tu desayuno, decides enfriar tu taza de café colocando en ella un poco de hielo. Si es que en la taza se encuentran 250 g de agua con café a 85.0 °C y le añades dos cubos de hielo de 25.0 g cada uno, ¿cuál será la temperatura a la que se enfría el café? (Asume que el calor específico del agua con café es prácticamente la misma que la del agua, que la taza está hecha de un material térmicamente aislante y que el hielo está a O °C).

Transmisión de calor

Cuando se juntan dos objetos que presentan diferentes temperaturas, aparece entre ellos el flujo de energía conocido como calor, el mismo que de acuerdo con las condiciones existentes, se puede transmitir siguiendo cierto comportamiento. El calor se transmite siguiendo tres tipos de procesos llamados: conducción, convección y radiación.

La conducción, explica el por qué una cuchara metálica podría enfriarse drásticamente si se la deja sumergida en el interior de un recipiente con hielo; o se calienta notoriamente cuando está inmersa en un recipiente expuesto al fuego. Esto puede ser explicado en la medida de que

recuerdes, que la temperatura es una medida de la energía cinética media asociada al grado de vibración de las moléculas, razón por la que en los materiales conducto-res como los metálicos, por ejemplo, es bastante fácil el contagiar la intensidad de vibración de las moléculas a sus vecinas. Si sostienes la cuchara metálica en un extremo, mientras colocas el otro cerca del fuego, notarás que en cuestión de segundos la temperatura se eleva drásticamente, obligándote a soltar la cuchara. Si la cuchara fuese de plástico, este fenómeno se retarda de tal forma que ni siquiera te parecería que existe. La diferencia se debe a que la conducción térmica se evidencia fácilmente en los materia-les conductores, mientras que en los aislantes existe un efecto imperceptible en la mayoría de casos.

¿Te has fijado que las sartenes o las ollas tienen en sus mangos revestimiento de plástico o de madera? Se colocan así para evitar que quien las tomé con su manos, pueda quemarse en vista de la facilidad con la que se calientan estos recipientes metálicos puestos directamente sobre una hornilla.

La velocidad con la que se calienta o enfría un cuerpo (es vectorial porque se puede definir la dirección) está asociada a la influencia de parámetros como el área superficial del cuerpo, su espesor, la conductividad térmica del material que lo constituye y de la diferencia de temperatura exterior e interior.

Una cuestión importante de señalar, es que no necesariamente se debe asociar el mantener la temperatura a través del calentamiento expreso, sino también evitar que se propicie el enfriamiento. Un ejemplo claro de esto se daría con el café caliente que servido en una taza de aluminio se enfría rápidamente, mientras que si se lo sirve en vaso desechable de material aislante, tardaría un tiempo significativo en enfriarse. Bajo el mismo razonamiento, se enfoca todo aquello que tiene que ver con aislamiento térmico, pues si bien no se puede calentar, si se puede evitar que se enfríe. A este criterio se debe que nuestras prendas de vestir más “abrigadas” como las llamamos, tengan cualidades aislantes. La lana, el algodón, el plumón son muy pobres conductores del calor, lo que les da este atributo útil para el caso en cuestión.

Conexión con la tecnología

Existen un sinnúmero de videos en el canal de youtube que explican de manera fácil y entretenida los mecanismos de transmisión de ole hiedes buscados por tu cuenta o oasis r ame rema a estos enlaces

http://

En vista de que la vibración debe ser transmitida a las moléculas adyacentes, la conducción es extremadamente notoria y significativa en los sólidos. Si bien existe en los líquidos y en los gases, su incidencia es mínima, por lo que podría asumirse que es despreciable.

La transmisión de calor por convección, se da como el resultado de un cambio en la densidad del material originado por una variación en la temperatura, que obliga a desplazar a sus moléculas provocando un flujo que se conoce como corrientes de convección.

Si colocas un recipiente con agua al fuego, puedes observar que la capa de agua que está al fondo y más próxima a la fuente de calor aumenta su temperatura mucho más rápido que las capas de agua que se encuentran más lejanas. Esto hace que el agua que se calienta primero se dilate, disminuyendo así su densidad y se ve forzada a elevarse cediendo su posición al agua "menos caliente" que tiene mayor densidad, desplazándose a la parte inferior del recipiente.

La convección requiere por definición desplazamiento neto de partículas, por lo que imposibilita a que se produzca en los sólidos, en tanto que es plenamente factible en líquidos y gases.

Otro ejemplo importante de señalar, simple pero efectivo, es aquel en el que teniendo una vela prendida, intentas acercar tu mano a la llama por los costados. Te darás cuenta de que puedes hacerlo hasta situarte a un par de centímetros de la llama sin problema alguno. Si intentas hacer lo mismo, pero por la parte superior de la llama, las cosas cambian notoriamente, puesto que no podrás acercarte por más que lo intentes, ya que de hacerlo seguramente te quemarías. Esto es el resultado del movimiento continuo del aire caliente menos denso hacia arriba y no hacia los costados.

La formación del viento es una aplicación de las corrientes de convección que aparecen entre dos zonas adyacentes pero de diferentes condiciones, en donde puede existir una diferencia de

temperatura importante que genera desplazamiento de masas de aire. Dependiendo de la velocidad que alcance el viento, estas corrientes podrían ser excesivamente fuertes y convertirse en huracanes.

.

Finalmente, está el proceso de radiación de calor, que es un mecanismo de transmisión que para tener lugar no requiere de medio físico, y de allí que esté presente en todas las situaciones.

Hablando en el marco de la Física, existe la posibilidad de transmitir energía a través de ondas, y aquellas que no necesitan de un medio para conseguir-lo se llaman ondas electromagnéticas. Precisamente de ellas se vale la radiación para transmitir el calor, las mismas que dependiendo de su frecuencia pueden ser, por ejemplo microondas, infrarrojas, ultravioletas, entre otras.

Cuando te encuentras cerca de un horno, de un motor encendido o de una fogata, no necesitas entablar contacto con ellos para sentir claramente el efecto de la energía radiada. El sol es sin duda el mejor ejemplo de transmisión por radiación, puedes sentir el calor que genera con tan solo exponerte a sus rayos.

El efecto invernadero podría explicarse en parte debido a la diferencia existente entre la radiación solar entrante y la radiación saliente. Esto es provocado porque la luz visible que ingresa se refleja como luz infrarroja, la misma que no sale en su totalidad pues es menos penetrante que la luz visible, siendo la diferencia la que genera un moderado incremento en la temperatura interior del invernadero. Este efecto es el que ha intensificado el calentamiento global, en vista de que debido a los excesivos niveles de contaminación que maneja la población mundial, la producción de dióxido de carbono y otros gases nocivos, actúan como un filtro que impide en mayor escala la salida de energía en forma de luz infrarroja irradiada por nuestro planeta, maximizando así el valor de la temperatura de la Tierra, lo que conlleva una serie de anomalías y trastornos, que van desde el derretimiento de los glaciares en los polos y de las cumbres de nevados y volcanes, hasta la

modificación global de las condiciones climáticas que están mostrando situaciones extremas de frío o de calor.

Los termos que se utilizan para mantener calientes o frías las bebidas por los extendidos periodos, están diseñados para reducir la transmisión de calor por los tres mecanismos. Esto se consigue, entre otras cosas, dejando un espacio hueco lleno de aire entre el recipiente metálico interno y la superficie exterior, así como disponiendo de una película plateada a la superficie interna para que la radiación se refleje y se reduzca la pérdida de energía.

Tema 2. Termodinámica

Destrezas con criterios de desempeño. Interpretar las leyes de la termodinámica mediante el diseño de un trabajo experimental, la observación y la toma y registro de datos para su posterior análisis y extracción de conclusiones.

Activo mis conocimientos previos. ¿Cómo funciona el motor de un automóvil? ¿En qué se basa su funcionamiento? ¿Cómo determinar la eficiencia del motor? ¿Qué sucede con la energía que no es útil?

Analizo la situación problema El motor de combustión es un buen ejemplo de máquina térmica, que se caracteriza por conseguir que una parte del calor se transforme en trabajo, siguiendo un ciclo dirigido siempre desde una fuente de alta a otra de baja temperatura. Una máquina térmica

sigue un proceso que persigue tomar energía de una fuente de alta temperatura, para luego transformarla parte en trabajo y entregar la energía restante en un depósito de menor temperatura. Este proceso basa su eficiencia en la cantidad de trabajo que realiza y que se relaciona con la energía que cede al depósito frío.

Reflexiono

1. Investiga y señala las características de un motor de gasolina de cuatro ciclos.

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2. Averigua las diferencias y semejanzas existentes entre un motor de gasolina y uno a diesel.

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3. Consulta el efecto del tipo de combustible utilizado sobre la eficiencia de un motor de combustión interna.

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¿Qué es la termodinámica?

La termodinámicaa estudia todo lo referente al calor y a su conversión en energía y trabajo mecánico. Su enfoque acerca de los procesos térmicos es estrictamente macroscópico, dejando de lado la visión del comportamiento atómico y molecular (lo revisará en el bloque 3), en donde las variables a tomar en cuenta son la presión, la temperatura, el calor y la energía presente en sus diferentes formas.

Curiosamente, la termodinámica no se desarrolla sino recién a mediados del siglo XIX, cuando se clarifica una de las teorías que hasta ese entonces imperaba y que se conocía como la del “calórico” y que de a poco fue desapareciendo por su concepción inapropiada de lo que realmente era el calor.

Existen unas célebres y conocidas leyes de la termodinámica que sirven como directrices en el estudio de los fenómenos térmicos. Así, se parte de una premisa que ya conoces: el calor solo puede fluir desde un punto de alta a otro de baja temperatura. En ocasiones encontrarás que a esta afirmación se la conoce como la ley cero de la termodinámica expresada como "si los objetos A y B están en equilibrio térmico con el objeto C, entonces los objetos A y B están en equilibrio térmico entre sí”

Es necesario que tomes en cuenta que las moléculas de un cuerpo tienen asociadas diferentes tipos de energía: cinética traslacional (movimiento de la molécula en cierta dirección), cinética rotacional (rotación de la molécula sobre uno o más ejes), potencial (existencia de fuerzas intermoleculares).

La suma de todas las energías de las moléculas da lugar a la denominada energía interna del cuerpo.

La energía interna de un cuerpo es diferente que la energía total del mismo, ya que en esta última se incluyen también el movimiento del cuerpo y el cambio de energía potencial provocado por fuerzas externas.

Recuerda

La energía interna de un cuerpo no es igual a la energía total del

Para poder explicar la primera ley de la termodinámica, debemos estimar primero el trabajo realizado durante una expansión generada por la acción de una fuerza hecha por un gas dentro de un pistón, por ejemplo:

Asi tenemos que el trabajo es W = F • x

Se conoce que la presión se define por P=FA

f A

Despejas la fuerza F y remplazas en la expresión del trabajo

W =P-A x W =P• V

Esta expresión indica que si la presión es constante, el trabajo realizado por una fuerza cuando se produce una variación de volumen se determina como el producto entre dicha presión y el cambio de volumen experimentado. Sin embargo, si es que la presión no es constante, el proceso no sería tan simple, por lo que en ese caso podrías asumir que el trabajo se establece como el valor del área bajo la curva formada en un diagrama presión -volumen P-V.

Debes notar que si el volumen se incrementa el trabajo será positivo, mientras que si el volumen disminuye, el trabajo será negativo. La primera ley de la termodinámica hace referencia estricta al cumplimiento de la conservación de la energía en un sistema térmico; sostiene que el calor transferido a un sistema generará un aumento en la energía interna del sistema a más de un trabajo mecánico.

Q= U+W

Dependiendo de la naturaleza de cada uno de los factores involucrados en la relación anterior, los signos asumidos para cada uno de sus componentes encierran un significado muy importante que se indica a continuación:

∆Q + El calor ingresa al sistema- El calor sale del sistema

∆U + La temperatura del gas aumenta- La temperatura del gas disminuye

W + El sistema hace trabajo sobre el entorno 8El gas se expande)

- El entorno hace trabajo sobre el sistema(El gas se contrae)

Si lo que buscas es analizar la naturaleza del cambio de energía interna. la primera ley se la puede expresar como

U= Q – W

Algunos procesos características que tienen lugar en los sistemas termo-dinámicos, te permiten realizar análisis específicos para cada uno de ellos.

Proceso isobárico

Hace referencia a que el valor de la presión es constante, lo que implica a su vez que el trabajo realizado cambiará únicamente con la variación de 11 volúmenes experimentada.

Cuando el volumen se expande, el signo del trabajo es positivo, de tal forma que observando su efecto en la relación

U=Q-W

podrás notar que

U∝Q

El significado que la expresión anterior encierra, es que el cambio de Diagrama P — V de un proceso isobárico, energía que experimenta el sistema va a ser menor que la cantidad de calor que se transfiere cuando el volumen se expande. La otra posibilidad es que el trabajo sea negativo, en virtud de una compresión de volumen experimentado. De ser ese el caso, debes caer en cuenta que

U∝Q

Puedes comprender según este criterio, que cuando existe una disminución en el volumen, la variación de energía interna siempre superará a la cantidad de calor suministrado o absorbido por el sistema.

WU –> Q +U<-Q -

Proceso isocórico

Se denomina así a aquel en donde el sistema mantiene el volumen constante.

De ser ese el caso, el trabajo será nulo por lo que la variación de energía interna dependerá exclusivamente de la cantidad de calor suministrado o absorbido.

Si la presión disminuye, conlleva a que el calor se absorba y la variación de energía interna sea negativa (la temperatura disminuye); mientras que si la presión aumenta se requiere que se inyecte calor al sistema, redundando en un aumento de temperatura que acarrea un incremento en la energía interna.

∆U=∆Q−W

W=0

∆U=∆Q

∆U ∆Q W+ + 0- - 0

Proceso isotérmico

En este caso, la temperatura permanece invariable, de tal forma que la energía interna no se modifica.

Los casos posibles entonces pueden darse de acuerdo con la variación de volumen conseguido, y como tal al trabajo realizado. De aumentarse el volumen, el trabajo realizado será positivo y con ello se requiere suministrar calor al sistema; caso contrario, si el volumen se reduce, el trabajo será negativo implicando la salida de calor del sistema.

∆U=0

0=∆Q−W

∆Q=W

Proceso adiabático

Un proceso de esta naturaleza se relaciona directamente al caso en que el sistema es aislado, imposibilitando la transferencia de calor en cualquier dirección (de entrada o salida al sistema). Generalmente, son procesos que se caracterizan por ser muy rápidos.

Conexión con otras ciencias

Cuando utilizas un aerosol para emitir una sustancia pulverizada, o cuando ves a un corcho salir despedido al abrir una botella

∆U ∆Q W0 + +0 - -

∆U ∆Q W

Cuando existe una expansión del volumen, la variación de energía interna será negativa lo que implica que la temperatura del sistema disminuye. Caso contrario, al producirse una compresión del volumen, el trabajo siendo negativo origina en un sistema adiabático que la energía interna aumente evidenciando un aumento en la temperatura.

∆Q=0

∆U=∆Q−W

∆U=−W

Máquinas térmicas

Los motores de combustión, las turbinas de propulsión a chorro, los sistemas refrigerantes o de aire acondicionado son ejemplos de máquinas térmicas.

Debes saber que se llama máquina térmica a todo aparato o dispositivo que utiliza una fuente de energía para realizar un trabajo.

∆U ∆Q W

En definitiva una máquina térmica toma la energía de un foco de alta temperatura, parte de esa energía la convierte en trabajo y finalmente entrega la energía restante a un foco de baja temperatura. Así funciona en síntesis una máquina de vapor.

En el caso de un sistema de refrigeración, que de manera general se le llama bomba térmica o bomba de calor, el proceso se invierte, tomando la energía desde un depósito frío para lo cual se debe desarrollar necesariamente un trabajo y depositar la energía sobrante en un depósito caliente.

La máquina térmica realiza una secuencia de procesos de diferente naturaleza (Isobáricos, isocóricos, isotérmicos o adiabáticos) para completar un ciclo que le permita regresar al inicio de la secuencia y poder repetirla nuevamente. Al usar el diagrama P-V el área encerrada en la figura es la que determina el valor del trabajo total realizado por el gas.

Como bien sabes en todo proceso existen pérdidas y para cuantificarlas se determina la eficiencia. En una máquina térmica la eficiencia viene dada por la razón entre el trabajo útil realizado W y la energía que absorbe de la fuente caliente QC.

Para que expreses la eficiencia como un porcentaje debes multiplicar la expresión anterior por 100:

eficiencia%=WQc

x100

No obstante, esta eficiencia puede mejorar si realizas dos procesos adiabáticos y dos isotérmicos alternados. La recomendación la señaló un ingeniero de apellido Carnot hace ya mucho tiempo, al considerar los procesos reversibles que ejecutaría una máquina térmica ideal. En la actualidad es el estándar utilizado para el diseño de máquinas térmicas y se conoce precisamente como ciclo de Carnot

Conexiones con la vida

Los sistemas refrigerantes, al igual que los productos en presentación aerosol, utilizan un conjunto de sustancias en su interior conocidas como clorofluorocarbonos (CFC) que son muy nocivos por su alto grado de

.

En ese caso la eficiencia puede expresarse como:

eficiencia=Tc−T f

T c

eficiencia=1−T f

T c

relaciones en las que la temperatura debe ser expresada en escala kelvin.

Finalmente, para terminar el bloque resta revisar la segunda ley de la termo-dinámica y que se basa en el concepto de entropía.

La entropía se considera como una medida del desorden, en vista de que en todo sistema el comportamiento caótico se va apoderando de él, a menos que se tomen medidas expresas para evitarlo. Un sencillo ejemplo de esta situación se evidencia cuando en tu habitación no se realizan las tareas de aseo, limpieza y organización; al cabo de unos días la habitación va a tener un aspecto nefasto y se va ir acentuando esta imagen con el paso del tiempo.

La segunda ley de la termodinámica en una formulación inicial sostiene que el calor fluye espontáneamente desde un objeto caliente a otro frío, y que de ninguna manera sucederá lo contrario sin forzarse. El enunciado posterior equivalente que prevalece, señala que la entropía siempre aumenta de manera natural en el universo, lo cual es plenamente lógico ya que como se mencionó, si se quiere evitar que esto suceda se debe realizar inevitable-mente un trabajo.

Una interpretación alternativa de la segunda ley de la termodinámica apunta al hecho de que no es posible conseguir que una máquina sea perfecta y tenga una eficiencia del 100%, ya que esto implica que todo el calor obtenido se transforma en trabajo realizado.

La entropía está asociada con el posible número de arreglos o disposiciones que pueda alcanzar el sistema y ha tenido mucha utilidad para describir alternativamente el estado de un sistema, sin recurrir a variables macroscópicas como la presión, el volumen y la temperatura.

Cuando existen casos en los que aparentemente la entropía disminuye, como podría ser el ejemplo en la que el agua se congela (el desorden al convertirse en hielo se ha reducido), debes comprender a su vez que el calor que recibe el entorno producto de este proceso, incrementa su entropía en mayor magnitud, provocando que la variación de la entropía neta de: sistema sea positiva, es decir que el desorden aumente.

Para cuantificar el cambio de entropía ∆S, se sabe que está ligado a la cantidad de calor ∆Q y a la temperatura T

S=QT

Por eso si tenemos una situación en la que existe un flujo de calor debido a una diferencia de temperaturas, podemos indicar que:

• Si el sistema absorbe calor existirá un incremento de entropía

S= QT r

Si el sistema expulsa calor aparecerá un decremento de entropía

S= QT c

Podrías demostrar que jamás se incumplirá la segunda ley de la termodinámica bajo cualquier ejemplo real, verificando que la variación de entropía siempre es mayor que cero ( S ›- O).

Ejemplificación

Ejemplo 1

En el interior de un cilindro de área transversal 0.15m2, la acción de un pistón movido por un gas que se encuentra presurizado a un valor constante de 12kPa logra desplazar el émbolo 5.9cm. Determina el cambio en la energía interna si es que se proporciona al sistema 110J de calor.

Los datos con que cuentas son:Área transversal A=0.15cm2

Presión P=12 kPa = 12 x 103PaDesplazamiento del émbolo ∆ x=5.0 cm=5.0 x10−2mCalor proporcionado Q=110J

Necesitas utilizar la ecuación de la primera ley de la termodinámicaU=Q-W

Así que debes buscar el valor del trabajo W=P.V W=(12x103PA).(0.15m2x5.0x10-2m) W=90J

El cambio en la energía interna sería: U=110J-90J U=20J

Ejemplo 2

Una máquina toma 600 J de un depósito en donde la temperatura es 177 °C para poder realizar un trabajo en cada ciclo. Calcula la cantidad de calor expulsado así como la temperatura del depósito frío, si es que sabes que la eficiencia es 25.0 %. (Considera que es una máquina que sigue el ciclo de Carnot en su operación.)

a) Escribes un listado de los valores conocidos:

Calor absorbido de la fuente caliente Qc= 600 J

Temperatura de la fuente caliente T = 177 °C = 450 K

Eficiencia 25.0 %

b) Por definición conoces que:

eficiencia=WQ0.250= W

600JW=150 J

c) Otra relación para determinar la eficiencia es:

eficiencia=1−T f

T c

0.250=1−T f

450

T f

450=0.750T f=338K=65.0

Ejemplo 3

Si supones una situación en la que el calor fluye desde un objeto frío que está a 20.0°C hacia otro objeto caliente que se encuentra a 140 °C, demuestra que asumiendo una energía transferida de 100 J se incumple con la segunda ley de la termodinámica.

a) Cuentas con la siguiente información:

Calor absorbido de la fuente caliente Qc= 600J

Temperatura de la fuente caliente T = 177 °C = 450 K

Eficiencia 25.0 %

b) Determina el valor del cambio de entropía para cada uno de los objetos.

El objeto frío pierde calor por lo que existe un decremento de entropía:

s= qtF

=100 j293k

S=−0.34 jk

El objeto caliente en cambio gana calor con lo que existe un incremento de entropía:

S=QTc

= 100J413K

S=+0.24 JK

c) Estableces el valor total de la variación de entropía del sistema:

s=−0.34 JK

+0.24 JKS=−0.10 J

K

d) Observas que el valor obtenido contraviene a lo propuesto en la segunda ley de la termodinámica, puesto que en este caso supuesto la entropía del sistema ha disminuido, lo cual no es posible.

Actividades

1. En el interior de un cilindro de 150 cm2 de sección transversal, un émbolo se comprime gracias a la acción de una fuerza constante de 450 N. Si el sistema absorbe 8.10 x 102 J de calor cuando la variación de energía es 1.02 x 103.1, determina:

a) el trabajo realizado;

b) el desplazamiento del émbolo

2. Una máquina térmica es capaz de realizar un trabajo de 3.4 x 103J cuando absorbe de un depósito de alta me temperatura 9.8 x 103 J. Encuentra su eficiencia y posteriormente define la temperatura del depósito si se conoce que La mínima temperatura con que opera es 50 °C y que opera siguiendo el ciclo de Carnot.

Laboratorio

Calor específico de un metal

Objetivos:

Determinar el valor del calor específico de un metal desconocido.

Teoría:

En un proceso térmico se cumple el principio de conservación de energía, que aplicado al comportamiento de cada uno de los elementos presentes en el sistema, permite establecer una relación válida que posibilita encontrar un variable desconocida.

Materiales

Calorímetro o recipiente térmico Termómetro Plancha eléctrica Pequeño cuerpo metálico Balanza Pequeño trozo de nylon

Procedimiento

1. Colocar agua en un recipiente y ponerlo a calentar.

2. Llenar con agua fría aproximadamente la mitad de la capacidad del calorímetro.

3. Realizar las mediciones necesarias para completar parcialmente la primera tabla de datos.

4. Colocar con la ayuda de un hilo de nylon la pieza metálica en el interior del agua que debe estar en ebullición. Dejarla al menos cinco minutos.

5. Medir la temperatura del agua en ebullición y registrarla como la temperatura inicial del metal.

6. Traspasar la pieza metálica rápidamente al calorímetro con agua y taparlo de inmediato.

7. Observar la temperatura final que alcanza el sistema.

8. Completar la primera tabla y realizar los cálculos pertinentes para llenar la segunda tabla.

9. Plantear la ecuación de la conservación de energía y encontrar el calor específico del metal.

10. Realice el experimento una segunda vez para contrastar datos.

Datos y cálculos

Prueba 1 Prueba 2Calor específico del calorímetroMasa del vaso del calorímetro (g)Masa del vaso del calorímetro con agua fría (g)Masa del metal(g)Temperatura inicial del calorímetro con agua fría (¿Temperatura inicial del metal (¿Temperatura final del sistema (¿Masa de agua fría (g)Cambio de temperatura del calorímetro con agua (¿Cambio de temperatura del metal(¿

Conclusiones

1. Determina el calor ganado por el sistema en el primer intento.

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2. Calcuta el calor perdido en el proceso.

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3. Encuentra el calor específico del metal.

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4. Repite los cálculos de los numerales 1, 2 y 3 con los datos del segundo intento

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5. Determina el valor promedio del calor específico del metal y calcula el porcentaje de error en el proceso

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Evaluación de bloque

1. Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas (V) o falsas (F). De no ser ciertas escribe la respuesta correcta.

Respuesta correctaa) Las sensaciones de frío y calor son idénticas para todas las personas.

( )

b) La variación de temperatura en grados Celsius es igual que la variación en Kelvin.

( )

c) En el equilibrio térmico, los cuerpos intercambian temperatura.

( )

d) La dirección en la que fluye el calor es la que abandona el cuerpo más pesado y se dirige hacia el cuerpo más liviano.

( )

e) Una sustancia puede experimentar modificaciones de temperatura y de fase al mismo tiempo

( )

f) El agua se caracteriza por presentar el más bajo valor de calor específico

( )

g) La conducción de calor es determinante en los líquidos. h) Las corrientes de convección se forman por una diferencia de densidad.

( )

h) Las corrientes de convección se forman por una diferencia de densidad.

( )

i) La radiación de calor puede darse hasta en el vacío ( )j) Los líquidos se dilatan linealmente. ( )k) En un sistema adiabático no existen cambio de energía interna.

( )

I) La entropía en el universo nunca disminuye de manera espontánea

( )

2. Dos cuerpos A y B que se encuentran a diferente temperatura se ponen en contacto. Si conoces que el cuerpo A se encuentra a mayor temperatura que B y que el calor específico del objeto A es menor que el correspondiente al B, indica la respuesta:

a. La dirección en la que fluye el calor.

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b. El cuerpo que se enfría más rápido.

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c. El cuerpo que experimenta mayor variación de temperatura.

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3. Se colocan a dos bloques en contacto y se observa que entre ellos no existe ningún proceso de transferencia de energía, lo que significa que tienen igual:

a. Calor. c. Calor específico.

b. Temperatura d. Masa

Indicadores esenciales de evaluación

Define el concepto “temperatura” y relaciona cualitativa y cuantitativamente las diferentes escalas de temperatura (CC, *F y IQ; finalmente, demuesta aptitud en la resolución de situaciones problémicas

Explica los procesos de dilatación de sólidos y líquidos, y demuestra aptitud en la resolución de ejercicios.

Define entropía, ejemplifica situaciones en las que se demuestre que la entropía del universo tiende a aumentar y desarrolla cálculos al respecto.

Resuelve los ejercicios siguientes:

3. Un bloque de 2.5 kg se desliza por el piso a razón de 12.0 m/s. Si el 80 % del valor de su energía cinética se convierte en calor, y con ello logra elevar su temperatura en 0.25 °C, encuentra el calor específico del material del bloque.

5. En un termo cerrado se encuentran 300 g de agua a 40.0 °C y se inyectan 20.0 g de vapor de agua a 100 °C. Indica si todo el vapor de agua logra condensarse, y de ser así, estima la temperatura final de la mezcla. Asume como insignificante la ganancia de calor del termo.

Autoevaluación

Indicadores esenciales de evaluación Bajo

Medio

Alto

Defino el concepto “ temperatura” y relaciono cualitativa y cuantitativamente

3. Un bloque de 2.5 kg se desliza por el piso a razón de 12.0 m/s. Si el 80 % del valor de su energía cinética se convierte en calor, y con ello logra elevar su temperatura en 0.25 °C, encuentra el calor específico del material del bloque.

5. En un termo cerrado se encuentran 300 g de agua a 40.0 °C y se inyectan 20.0 g de vapor de agua a 100 °C. Indica si todo el vapor de agua logra condensarse, y de ser así, estima la temperatura final de la mezcla. Asume como insignificante la ganancia de calor del termo.

las diferentes escalas de temperatura ( , y K ¿ finalmentedemuestro aptitud en laresoluci ó nde situaciones probem á ticasExplico los procesos de dilatación de sólidos y líquidos y demuestro aptitud en la resolución de ejercicios.Defino entropía, ejemplifico situaciones en las que se demuestre que la entropía del universo tiende a aumentar y desarrollo cálculos al respecto.

Estados de la materia, propiedades y comportamiento

Eje curricular integrador

Comprender los fenómenos físicos y químicos como procesos complementarios e integrados al mundo natural y tecnológico.

Ejes del aprendizaje

Reconocimiento de situaciones o cuestiones científicamente investigables.Identificación de la evidencia en una investigación científica. Formulación o evaluación de conclusiones.Comunicación de conclusiones válidas. Demostración de comprensión de conceptos científicos.

Ruta de aprendizaje

Estados de la materia

Teoría cinético molecular

Estado gaseoso Soluciones

Bloque 3

Leyes Solubilidad Concentración

Indicadores esenciales de evaluación

• Explica razonadamente las leyes de los gases y muestra aptitud en la resolución de ejercicios cotidianos relacionando esta temática con la estequiometria.

• Establece las propiedades de los líquidos utilizando el agua como un elemento de referencia.

• Identifica claramente los factores que modifican la concentración de una solución.

• Describe la forma para determinar la concentración de una disolución, y calcula empleando para ello unidades físicas y químicas

• Neutraliza disoluciones de manera experimental, basándose en los respectivos cálculos matemáticos.

Tema 1. El estado gaseoso

Destrezas con criterio de desempeño. Definir las propiedades de los diferentes estados de la materia y su comportamiento, sobre todo el estado gaseoso a partir de la descripción de las

propiedades generales de los gases, de los principios de la teoría cinético-molecular de los gases, de los procesos de medición de la presión de los gases y su relación con el número de moléculas y la temperatura.

Activo mis conocimientos previos. ¿Qué tipos de gases conoces?, ¿cuáles son importantes en nuestra vida?, ¿qué es la presión?, ¿qué es y qué mide un mol?

Analizo la situación problema

La emanación de gases en las industrias contamina la atmósfera de una manera extremadamente agresiva, ya que el desarrollo industrial y tecnológico de la humanidad ha requerido la producción a gran escala de todo tipo de materiales y artículos. A esto se suma la contaminación propia generada por la naturaleza misma, ya que en situaciones como erupciones volcánicas, incendios forestales no provocados, entre otros, se liberan gran cantidad de gases nocivos que agravan más el conflicto ambiental, todo deriva en una intensificación del efecto invernadero que provoca el calentamiento global.

Reflexiono

Conforma grupos de trabajo con tus compañeros de clase y socializa las respuestas.

1. Indica algunas fuentes de contaminación atmosférica que detectes con frecuencia.

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2. Investiga alguna regulación que permita evitar este tipo de contaminación.

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3. Señala algunas acciones destinadas a combatir este problema.

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Estado gaseoso

En el bloque anterior ya revisaste brevemente los diferentes estados en los que se presenta la materia.

De los tres más comunes, podrías notar que en los sólidos, los átomos se encuentran vibrando alrededor de posiciones fijas. Puedes encontrar a los sólidos ya sea en forma de estructuras cristalinas como la del cloruro de sodio por ejemplo, o en tipo de sólidos amorfos como el vidrio por citar un caso.

En los líquidos, las fuerzas intermoleculares son más débiles y las moléculas, o se mueven en forma aleatoria permanente. Tanto los sólidos como los líquidos evitan la compresión.

Los gases se caracterizan por presentar movimiento molecular aleatorio con fuerzas intermoleculares extremadamente débiles, lo que da lugar a que sean fácilmente compresibles. Tienden a adoptar la forma del recipiente que los contiene, ocupando de manera uniforme y homogénea la mayor cantidad de volumen posible, lo que justifica que su densidad sea baja.

Sólido Líquido GaseosoVolumen Definido Definido IndefinidoForma Definida Indefinida Indefinida

Inclusive si es que se aplicase una fuerza extremadamente grande, es imposible comprimir el volumen de un gas hasta que sea ínfimo. Una alternativa planteada, sería disminuir la temperatura para reducir la presión, pero al hacerlo, el gas probablemente cambiaría de estado desde gas hasta líquido (se licuaría) y se imposibilita aún más la compresión.

Un gas se expande fácilmente copando todo el espacio disponible, no obstante, los efectos del campo gravitacional también actúan sobre él, y por esta razón se explica porque los gases no se extienden ilimitadamente hacia el exterior del planeta.

Los gases se caracterizan, también, por que aprovechan otro material para desplazarse, conociéndose a esta propiedad corno difusión. Así se entiende como con la ayuda del olfato detectamos rápidamente el perfume, que en forma de gas se difunde usando al aire como medio.

Si se practica un orificio en un recipiente que contiene un gas, éste saldrá expedido por la abertura, llamándose a esta propiedad efusión.

Teoría cinético-molecular de los gases

Se basa en la idealización de un modelo del gas que realiza algunas consideraciones para facilitar su análisis y estudio. Algunas de ellas son:

El gas está compuesto por moléculas idénticas y esféricas que se están moviendo aleatoriamente con distintas velocidades. Las moléculas de un gas se mueven con velocidad constante entre colisiones, lo que se asume como resultado de la ausencia de fuerzas entre las moléculas (siempre y cuando el gas no sea comprimido). Las moléculas del gas son muy pequeñas, de tal forma que su volumen conjunto es insignificante en comparación con el volumen que ocupa el gas. No se pierde energía durante las colisiones, lo que implica que las colisiones son elásticas.

• Las moléculas obedecen las leyes de Newton en su comportamiento.

En sentido macroscópico, la presión está definida como el resultado de aplicar una fuerza F sobre un área determinada A

P= FA

Las unidades de la presión en el sistema internacional vienen dadas por el arreglo N

m2 que en

conjunto se denomina pascales (Pa).

Debido a la existencia de la presión atmosférica, originada por la fuerza reali-zada por el peso del aire sobre una superficie establecida, se hace útil el uso de una unidad llamada atmósfera y que equivale a 1.013x105 Pa.

A niveles microscópicos, la presión en un gas está dada por la fuerza media generada producto de la colisión permanente de las moléculas de gas contra las paredes del recipiente.

Es importante resaltar que el choque entre moléculas, producto del movimiento aleatorio no afecta la presión del gas.

Si se disponen de volúmenes iguales de diferentes gases que presentan igual presión e igual temperatura, se ha constatado que contienen el número de moléculas.

Un mol cuantifica la cantidad de sustancia que corresponde a un valor de masa de la misma expresada en gramos y que tiene el mismo número del que corresponde a su masa molecular Así por ejemplo, un mol de oxígeno gaseoso O2 tiene una masa de 32 gramos, producto de duplicar en este caso el valor de la masa molecular del oxígeno (16g/mol)

Elemento Masa molecular (g/mol)Hidrógeno 1Helio 2Carbono 12Nitrógeno 14Oxígeno 16Azufre 32

Se ha establecido que el número de moléculas existentes en un mol de gas es 6.02 x 1023, valor que se conoce con el nombre de número de

Conexión con la tecnología

Ejemplificación

Ejemplo 1

Calcular el número de moles así como el número de moléculas presentes en

24.0 g de 02

50.0g de N2 10.0 gdeH2

Dado que la masa molecular del oxígeno es 16.0 g/mol, entonces para el caso del 02 se tienen 32.0 g/mol

24.0 gdeO2 x1mol

32.0gde O2

=0.75moles

0.75moles x6.02x 1023molé culas

1mol=4.52 x1023molé culas

b) Conoces que la masa molecular del nitrógeno es 14.0 g/mol, por lo que no ~ft es complicado entender que el N2 tienen 28.0 g/mol

50.0 gde N2 x1mol

28.0g de N2

=1.79moles

moles x6.02x 1023mol é culas

1mol=1.08 x1024 moléculas

c) El hidrógeno presenta una masa molecular de 1.00 g/mol, sin embargo para el caso gaseoso el H2 el valor es 2.00 g/mol

10.0 gde H 2 x1mol

2.00gde H 2

=5.00moles

5.00moles x6.02 x1023mol é culas

1mol=3.01 x1024molé culas

Ejemplo 2

¿Cuántas moléculas están presentes en 75 g de amoníaco (NH3)?, ¿cuántos átomos de nitrógeno y de hidrógeno están presentes?.

a) En primer lugar debes establecer el valor de la masa molecular del compuesto NH3.

NH 3=1 x14gmol

+3 x1 gmol

=17 gmol

b) Procedes a determinar el número de moles de gas que existen en la masa proporcionada.

75 gde NH 3 x1mol

17 gde NH 3

=4,4moles

c) Calculas el número de moléculas existentes en ese número de moles.

4,4moles x6.02 x1023molé culas

1mol=2.6 x1034mol é culas

d) Existe un átomo de nitrógeno por cada molécula de NH3, entonces se tienen 2.6x1024 átomos. De igual forma, en cada molécula de NH3 están presentes tres átomos de hidrógeno, de allí que se tienen 7.8x1024átomos de hidrógeno.

Actividades

1. Establece La masa de gas presente en cada uno de las siguientes cantidades molares:

a. 25 moles de CO

b. 0.9 moles de N2

c. 1.5 moles de vapor de agua (H2O)

2. Calcula el número de moléculas de cada uno de los elementos constituyente presentes en 150 g de 503 gaseoso.

Tema 2 Leyes de los gases

Destrezas con criterios de desempeño. Interpretar las leyes de los gases a partir del diseño de trabajos experimentales en los cuales se realice una verdadera observación científica, un registro de datos para su posterior análisis y una demostración matemática.

Activo mis conocimientos previos. ¿De qué manera afecta al comportamiento de un gas la presión y la temperatura?

Analizo la situación problema

Se requiere gas para diversas aplicaciones domésticas, comerciales e industriales. En el país, el uso de gas se gestiona a través de la compra y venta de cilindros, ya que es muy baja la existencia de sistemas de gas centralizados. El gas tiene un amplio abanico de usos a nivel doméstico que permite abastecer de la energía necesaria a través de su combustión en la realización de diferentes tareas —como calentar agua en calefones y piscinas, por ejemplo— o para cocer los alimentos a través del funcionamiento de cocinas o de hornos, entre otros.

Reflexiono

1 Investiga en qué consiste el proceso de exploración y explotación del gas natural.

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2. Averigua cuáles son los componentes del gas licuado de petróleo.

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3. Consulta las especificaciones de los tanques de gas (material, peso, densidad, etc.)

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4. Señala algunas medidas de seguridad básicas que se deben conocer en la manipulación de los cilindros de gas.

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Leyes de los gases

Tanto la presión como el volumen y la temperatura definen el estado licor gas cie forma que si una de las variables cambia, el estado del gas también lo hace porque las dos restantes se modifican inevitablemente.

Ley de Boyle

En el caso que se mantenga la temperatura constante, se tiene un proceso isotérmico. Se trata de aumentar la presión y observar que el volumen se seduce proporcionalmente. Si es que duplicas la presión observarás que el volumen se reduce a la mitad; o si es que reduces la presión de un gas a la mitad, conseguirás que el volumen del gas se duplique. Por lo tanto, la res y el volumen son magnitudes inversamente proporcionales, razón por la que el producto presión – volumen es constante.

Al graficar la presión vs el volumen se obtiene una curva característica de este tipo de relación.

Puedes implementar una experiencia práctica simple para confirmar este comportamiento. En un tubo muy delgado se puede colocar un pequeño volumen de mercurio,el mismo que dejará en el fondo un volumen de aire presente Para determinar el volumen del aire se puede calcular el volumen de un cilindro equivalente V=π r2h. La presión que el mercurio ejerce sobre el volumen de aire puede ser calculado mediante la expresión P=pgh adicional a la presión atmosférica. Si posteriormente se aumenta la cantidad de mercurio, se observará que el volumen que ocupa el aire en el fondo del tubo se reduce tantas cuantas veces se aumente la cantidad de mercurio.

La clave del experimento es añadir de manera muy lenta el mercurio, de tal manera que se mantenga al aire con la misma temperatura.

Conexión con la

En el siguiente enlace encontrarás excelentes simulaciones para las leyes que vamos a revisar:

http://www,educaplus.org/gases/index.html

Puedes observar un video de la ley de Boyie en el canal youtube ingresando

Recuerda

La ley de Boyle se aplica en aquellos procesos en los que la temperatura no varía.

Ley de Charles

En este caso el proceso es isobárico, es decir, se mantiene la presión constante. El volumen del gas varía dependiendo del valor de la temperatura (en sólidos y líquidos, la variación del volumen sería diferente, en vista de que el cambio se produce en función de los diferentes coeficientes de dilatación).

Si duplicas la temperatura absoluta, el volumen se duplica también, por lo que se entiende que el volumen y la temperatura absoluta son directamente proporcionales, propiciando que la razón entre ellos se mantenga constante.

VT

=constanteV 1

T1=V 2

T 2

Si es que la temperatura se expresa en escala absoluta, la línea recta de la gráfica se desplaza hacia la derecha hasta que su extremo inferior parta del origen.

La experiencia a realizar en este caso, se basa en el mismo esquema que se para el caso de la ley de Boyle. Se pretende ahora, lograr que la presión se mantenga invariable, razón por la que no se modificará el volumen de mercurio en el tubo delgado, dejando así que sean tanto la presión atmosférica como la presión del volumen de mercurio los encargados de mantener un valor total constante. Puedes entonces, calentar el contenido de aire mercurio presente en el tubo, y como debes esperar, no será extraño que el aire se dilate ante el cambio de temperatura. Podrías registrar varias medidas siguiendo este proceso, para luego graficar los resultados y comprobar si es que se cumple la ley de Charles.

Ley de Gay - Lussac

Considera constante el volumen del gas durante el proceso. Así que cuando logras aumentar la temperatura absoluta al doble de su valor original, la presión también se ve duplicada; o si es que se disminuye la temperatura absoluta a la mitad, la presión se reduce a la mitad de la misma manera.

En base a lo anteriormente descrito, se evidencia que entre la presión y la temperatura absoluta existe una relación directamente proporcional, entonces se mantiene que la razón entre ellas es constante.

Tal como se procedió en el caso de la ley de Charles, si desplazas la recta hasta que coincida con el origen del sistema de coordenadas, conseguirás asegurarte que la presión y la temperatura absoluta son magnitudes directamente proporcionales.

Dato curioso

Se puede arreglar

Para su comprobación experimental, puedes usar un matraz cerrado con la ayuda de un tapón y en su tubo de desprendimiento conectado a un manómetro que indicará la presión. La temperatura es fácil de registrar si es se incluye en el arreglo un termómetro. Al calentar el aire, la lectura del termómetro variará a la vez que lo hace la del manómetro. Tomando una serie de mediciones, podrías establecer el comportamiento del sistema con ayuda de un gráfico.

Ecuación de gas ideal

Los sólidos y líquidos sometidos a un aumento de presión no ven afectado su volumen, mientras que en un gas el aumento de presión involucra una disminución de volumen, alterando de hecho su densidad. Entonces cuan-do la temperatura se mantiene invariable, un gas aumenta su densidad si es que aumenta la presión: al duplicarse la presión, el volumen disminuye a la mitad y la densidad se duplica también, lo que conlleva a determinar que la densidad p es directamente proporcional a la presión P.

pα P

La densidad se ve obviamente afectada por el cambio de volumen origina-do por la variación de temperatura en el caso de que la presión sea constan-te. Si es que por si se duplica la temperatura, el volumen también se duplica desencadenando que la densidad se reduzca a la mitad. En consecuencia, la densidad mantiene una relación de proporcionalidad inversa con la temperatura absoluta.

pα1T

La densidad en función de la masa molecular mantiene una relación directa y proporcional, debido a que si se tiene un mol de dos gases diferentes en condiciones de presión y temperatura idénticas, entonces ocupan el mismo volumen. Si la masa molecular de uno de los gases es el doble que del otro, la densidad también mantendrá una relación de 2 a 1.

Por lo tanto, la densidad p es directamente proporcional a la masa molecular M del gas.

pα M

Dato curioso

Se puede arreglar

Conexiones con la vida

Puedes arreglar la deformación de una pelota de ping pong basándote en el concepto de esta ley, para lo que será necesario que coloques la pelota en agua caliente, de tal

Recordemos que la densidad es directamente proporcional a la presión del gas y a la masa molecular, así como inversamente proporcional a la temperatura absoluta

pαPMT

Reemplazando la densidad por su definición de la razón entre la masa e y el volumen que ocupa.

mVαPMT

Reagrupando algunos términos

mMαPVT

El número de moles se obtiene de la razón entre la masa de gas y su masa molecular.

nαPVT

Nuevamente reagrupando términos

PVαnT

Para conseguir establecer una ecuación con la relación anterior, se introduce la constante de proporcionalidad llamada R y que se conoce como la constante universal de los gases.

PV= nRT

Para calcular el valor de la constante R, consideremos que un mol de gas a condiciones normales (1 atmósfera de presión y O °C de temperatura) ocupan un volumen de 22.4 litros:

R=PVnT0>R=1atmx 22.4 litros

1mol x273K0>R=0.082 atm x litro

mol x K

Para que obtengas el valor de la constante R en unidades del sistema internacional, remplazamos la presión atmosférica expresada en Pascales (1.013x105PA) y el volumen en metros cúbicos (2.24x 102 m3)

R=(1.03 x105Pa ) x (2.24 x10−2m3)

1moñ x273K0>R=8.31 J

mol .K

En el caso de que la masa de gas se mantenga constante, es decir que no extraiga ni que se inyecte gas en el sistema, obviamente el número de moles no varía y podemos agrupar los términos de la ecuación de gas ideal de esta forma:

PVT

=nRPVT

=con stante

Si utilizas la expresión anterior para relacionar dos estados diferentes del gas obtendrás:

P1V 1

T 1=P2V 2

T 2

Que se presenta como una ecuación de estado, en la que una misma masa de gas puede manifestarse en diferentes condiciones de presión, temperatura y volumen.

Relación entre la presión, el número de moléculas y temperatura de un gas

Si tienes en cuenta que la presión es directamente proporcional al número de moléculas y a la masa de cada una de ellas

P=13NVmv2

en donde N representa el número de moléculas de gas, Ves el volumen del recipiente en donde se aloja el gas, m es la masa de cada una de las moléculas y es la velocidad promedio al cuadrado.

PV=13Nm v2=nRT

si es que sabes que el número de moléculas se obtiene multiplicando el número de moles por el número de Avogadro

N=nN0

Entonces tienes:

13n N0mv

2=nRT

mv2=3 RN0

T

Se define como constante de Boltzman kg al resultado del cociente RN o

k=RN O

=8.31

JK .mol

6.02 X 1023mol é culas

mol

k=1.38 x10−23 JK

mv2=3kT

12mv2=3

2kT

Ec=32kT

La energía cinética media de cada molécula es directamente proporcional a su temperatura absoluta.

La temperatura es la única variable de la cual depende la energía cinética molecular y da lo mismo si se trata de cualquier tipo de gas.

Ejemplificación

Ejemplo 1

Completa la tabla siguiendo un proceso isotérmico

P(Pa) V(m3) PV(J)5.07x104 1.60 x 10-2

1.01 x 105

2.02 x 105

6.06 x 105

a) Obtenemos el producto PV solicitado en el primer par de datos

PV=(5.07x104Pa) (1.60x10-2m3) 0> PV=8.10x102J

b) Si es que se trata de un proceso en donde la temperatura es constante, el producto presión- volumen debe ser constante. De allí que podemos encontrar los volúmenes restantes dividiendo el valor de PV para cada una de las presiones y se obtienen los siguientes resultados:

PVP

= 8.10 x102 J1.01x 105Pa

=8.02x 10−3m3

c) De la misma manera obtienes el resto de valores: y

4.01x10-3m3 y 1.34x10-3m3

Ejemplo 2

Se dispone de 60 g de CO2 en el interior de un recipiente de 2.0 litros de capacidad. Si el gas se encuentra a 50 °C, ¿cuál es la presión existente en el recipiente expresada en pascales y atmósferas?

a) Recopila los datos proporcionados

Masa de gas m = 60 g

Volumen del recipiente = Volumen del gas V= 2.0 litros = 2.0 x 10-3 m3

Temperatura del gas T= 50 °C= 323 K

b) Calcula el número de moles presentes

CO2=1x 12gmol

+2 x16 gmol

=44 gmol

60 gdeCO2 x1mol

44 gdeCO2

=1.4moles

c) Utilizas la ecuación de estado de gas ideal para calcular la presión

PV=nRT P=nRTV

P=1.4moles x 8.31

JK .mol

x 323K

2.0 x 10−3m3 P=1.9 x106Pa

d) Transformas la respuesta obtenida a atmósferas

1.9 x106 Pax

1atm

1.0 x 105Pa=19atm

Actividades

1. Calcula el volumen que ocupan 8 g de helio gaseoso en condiciones normales.

2. Se infla un neumático a una presión de 2.1 atm, registrando una temperatura inicial de 15 °C. Después de cierto tiempo de rodar la temperatura se ha incrementado a 60 °C compensándose con una disminución de volumen del 12%. ¿Cuál será la nueva presión del neumático registrada?

3. Determinar el número de moles así como la masa de metano gaseoso (CH4) presente en un recipiente de 10 litros de capacidad, sometido a una presión de 2.0x105 Pa y 30 °C.

92 4)

Tema 3 Estequiometria con gases

Destrezas con criterios de desempeño. Relacionar la estequiometria con las leyes de los gases a partir de la identificación, descripción e interpretación de ejercicios de aplicación, de la relación existente entre los datos obtenidos durante el desarrollo de trabajos experimentales sobre el terna, de la descripción de gases reales y del análisis reflexivo de problemas contemporáneos asociados con los gases (como la contaminación atmosférica). (C) (F) (A ) (E)

Activo mis conocimientos previos. ¿Qué gases contaminan la atmósfera?

Analizo la situación problema

Ciencia, tecnología y sociedad: calidad del aire

Tomado y adaptado de http:I/www.ecuadoriibre.comhndex.php?option=com_content&yiew=article&id=832:ace-no-208- qcontaminacion-del-aire-un-problema-que-amerita-coordinar-accionesq&catid.2:analisis-de-coyuntura-economica&Itemid=11.

La medición de la calidad del aire es fundamental para implementar planes específicos en cada sector o región. Dentro de los gases y emisiones de contaminantes que se monitorean, se encuentran los denominados PM 10 y PM 2.5, los cuales se refieren al material particulado de diámetro menor a 10 micrones y a 2.5 micrones. Su concentración se mide en microgramos por metro cúbico (μg/m3) y se conoce que son responsables de enfermedades como infecciones respiratorias, cardiopatías y cáncer de pulmón.

La elevada contaminación ambiental, producto de las emisiones del parque automotor y de las lluvias de ceniza por las erupciones del volcán Guagua Pichincha, hizo de Quito la primera ciudad

en implementar un sistema de medición de calidad del aire. Sus resultados sobre la concentración promedio anual de PM 10 indican que esta fue superior a la norma (50 zg/m3) hasta el año 2004; logró su mínimo en el 2005 y, pese a mantenerse en el rango admitido, se ha incrementado en los últimos años (observar el gráfico). Se estima que si la contaminación por PM 10 se reduce a 20 μg/m3, podrían evitarse el 15% de las muertes relacionadas con la calidad del aire.

Las mediciones de PM 2.5 siguen una tendencia decreciente, situación que se debe considerar debido a que este tipo de partículas suponen mayor peligro por ser 100% respirables; esto causa que, al inhalarlas, puedan situarse en zonas muy profundas en los pulmones.

Una de las medidas correctivas implementadas fue la revisión técnica vehicular que se realiza en Quito, vigente desde marzo del 2003. Esta ciudad es pionera en el Ecuador en la adopción de la medida que es común en las principales urbes de Europa y Norteamérica.

Reflexiono

1. ¿Cómo se podría evaluar si la revisión técnica vehicular ha mejorado la calidad de aire en Quito?

Gases reales

Son los que se encuentran en la naturaleza, sus moléculas están sujetas a las fuerzas de atracción y repulsión de origen eléctrico debido a la orientación molecular y sus moléculas tienen un volumen, por lo que no se ajustan a la perfección a las leyes de los gases. A bajas presiones y altas temperaturas, las fuerzas de atracción son despreciables y se comportan como gases idea-les; sin embargo, si las presiones aumentan o si las temperaturas bajan, las moléculas se aproximan unas a otras y se puede observar una desviación importante de las condiciones ideales. De todas maneras, a las presiones y temperaturas que ocurren en la cotidianidad, la ley de los gases puede ser aplicada sin problema en los respectivos cálculos.

Los gases reales se puede difundir pero no de forma infinita, esto es debido a la presencia de fuerzas de Van der Waals que mantienen a las moléculas unidas.

Gases ideales

Son gases teóricos que están compuestos por partículas que no interaccionan entre sí y su comportamiento cumple las leyes de los gases y la ecuación de estado. El comportamiento de los gases ideales sufre una desviación a presión alta y temperatura baja debido a que las fuerzas y el tamaño inter-molecular influye de forma significativa.

El estudio de gases utilizando el modelo del gas ideal considera que el volumen de las moléculas es despreciable en relación con el volumen total, de tal forma que las interacciones entre las moléculas también son despreciables.

Ley de los gases ideales modificada

La ecuación de estado de los gases ideales expresa la relación que existe entre las magnitudes de temperatura, presión y volumen y describe el comportamiento de los gases en condiciones de bajas presiones y altas temperaturas.

P.V=n.R.T

El volumen molar de un gas a 273.0 K y 1.00 atmósfera de presión (condiciones normales) es 22.4 litros; si la temperatura aumenta aunque el resto de condiciones se mantengan constantes, su volumen también aumentará.

La ley de los gases ideales puede ser utilizada para calcular la masa molar de un gas a partir de la siguiente deducción:

n = masa en gramos / (gramos/mol)

n = Masa en gramos/masa molar

n=M(g)/Mm

Por lo tanto, la ley del gas ideal es:

PV = (g / Mm) RT

Mm PV = g RT

Recuerda

Un gas ideal es aquel que se ajusta a la perfección a las leyes de los gases en todas las condiciones.

Glosario

M: Esla masa expresada en gramos

Mm: Se

Ley de Dalton o de las presiones parciales

John Dalton investigó las variaciones de presión que sufría una muestra de aire seco cuando se le agregaba vapor de agua. A partir de estos estudios, enunció que cada uno de los gases que forman parte de una mezcla se comportan de forma independiente, dando origen a la siguiente ley de Dalton de las presiones parciales: "la presión total de una mezcla es igual a la suma de las presiones parciales que los gases individuales ejercen", la cual se expresa de la siguiente forma:

Ptotal = PI + P2 + P3 +……….Pn

En donde P1 + P2 + P3 +………….. Pn se refieren a la presión parcial de cada uno de los gases al ocupar el volumen de la mezcla. La presión parcial de un gas componente de la mezcla es la presión que ejercería dicho gas si ocupara todo el volumen de la mezcla. (Schaum 116; Física General)

En el laboratorio, la principal aplicación de la Ley de Dalton es la recolección de gases por desplazamiento de agua. Los gases como el nitrógeno, oxígeno e hidrógeno están formados por moléculas no polares lo cual hace que sean poco solubles en agua. Cuando se obtienen gases por esta técnica, se dice que los gases se encuentran húmedos pues contienen vapor de agua; por lo tanto, la presión total en el contenedor será igual a:

Presión total = Presión del gas recogido + Presión del vapor de agua

(a la temperatura que ocurre el proceso)

Conexión con otras cienciasEl estudio de los gases O2

y CO2 disueltos en la

Actividades

1. Se recolecta oxígeno por medio de desplazamiento de agua a 20 °C y una presión de 744 mmHg. Se igualan los niveles de agua dentro y fuera de la probeta. ¿Cuál es la presión parcial del 02 seco?

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2. El aire seco está compuesto de un 21.0 % de oxígeno. Calcula la presión parcial de oxígeno en una muestra de aire a 738 mmHg.

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Cálculos y reacciones con gases

Como se trató en el tema anterior, los gases tienen densidades muy bajas por lo que la utilización de unidades de volumen es la forma más fácil de expresar las cantidades de reactivos y productos que participan en una reacción química en donde se trabaja con sustancias en estado gaseoso, en lugar de unidades de masa.

Ley de Avogadro

De acuerdo al principio de Avogadro, 1 mol de cualquier gas que se encuentra en las mismas condiciones de presión y temperatura ocupa el mismo volumen molar. En condiciones normales de presión (1 atm) y temperatura (273 K), el volumen molar de un gas es de 22.4 litros.

Según Avogadro, "iguales volúmenes de diferentes gases contienen igual número de partículas a la misma presión y temperatura". Por lo tanto el número de moles puede ser relacionado de manera directa con el volumen.

A continuación se va a desarrollar un problema aplicando la Ley de Avogadro:

El estudio de los gases O2

y CO2 disueltos en la

Conexión con la tecnología

Conexión con la tecnología,

Utiliza el simulador que se encuentra en la siguiente página para aplicar la ecuación general de los gases en diferentes

Se produce amoníaco a partir de una reacción de nitrógeno gaseoso con hidrógeno gaseoso. Las condiciones de presión y temperatura se mantienen constantes. Se presenta el siguiente gráfico.

Se establece la ecuación balanceada de la reacción.

N2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH3 (g)

De la ecuación química, se puede deducir que 1.0 mol de nitrógeno gas reacciona con 3.0 moles de hidrógeno gas y se producen 2.0 moles de amoníaco gas.

En condiciones de temperatura y presión constantes, se puede afirmar que 1.0 litro de nitrógeno gas reacciona con 3.0 litros de hidrógeno gas y se producen 2.0 litros de amoníaco gas. Por lo que se pueden establecer relaciones directas de moles y volumen, así:

Si se quiere determinar cuántos litros de amoníaco se producen cuando reaccionan 3 litros de nitrógeno gas con suficiente cantidad de hidrógeno gas a temperatura y presión constante, se tiene lo siguiente: Litros de amoníaco = 3.0 litros de nitrógeno x 2.0 litros de amoníaco / 1.0 litro de nitrógeno

Litros de amoníaco = 6.0

Se presenta otro ejemplo:

Se combina monóxido de nitrógeno gaseoso (O2) con oxígeno gaseoso 02) para formar dióxido de nitrógeno (NO2), un gas de color café. Se dispone de 50.0 cm3 de cada gas colocados en jeringuillas individuales con un sistema de acople para realizar la mezcla. Las condiciones de presión y temperatura se mantienen constantes.

La ecuación balanceada sin reaccionar es:

NO (g) + 02 (g) NO2 (g)

Recuerda

La constante de los gases en unidades del sistema Si es igual a R=8.32JK-1 mol-1

Se procede a balancear la ecuación:

2 NO (g) + 02 (g) 2 NO2 (g)

2 moles de NO reaccionan con 1 mol de 02. De acuerdo a la ley de Avogadro podemos decir que 2 unidades de volumen de NO reaccionarán con una unidad de volumen de 02.

Por lo tanto el 02 gaseoso será el reactivo en exceso ya que se necesitará:

50.0 cm3 de NO con 25.0 cm3 de oxígeno para que la reacción se complete.

Se producirá 50.0 cm3 de NO2 gaseoso.

Actividades

1. La siguiente reacción química ocurre a temperatura y presión constante. Observa la ecuación:

2 SO2 (g) + 02 (g) 2 503 (g)

a. Determina cuántos litros de SO3 (g) se forman cuando reaccionan 3 litros de oxígeno con suficiente cantidad de dióxido de azufre.

b. Si 3.0 dm3 de dióxido de azufre reaccionan con 2.0 dm3 de oxígeno, ¿qué volumen de trióxido de azufre se forman?

Relaciones estequiométricas con gases

Previamente se estudió cómo usar una serie de cálculos estequiométricos —en donde se relacionaron gramos de sustancias con moles— para obtener cantidades de reactivos y productos en una reacción química. En el desarrollo de este tema se ha aprendido a trabajar con reacciones en donde los reactivos y productos son gases que se encuentran a la misma presión y temperatura. Ahora se aprenderá a resolver problemas en los que se tiene presencia de gases y que, por medio de la ecuación general de los gases, se podrán determinar los moles de los mismos.

Ejercicio de ejemplo

¿Cuántos moles de CO2 se obtienen a partir de la reacción de 1.35 g de bicarbonato de sodio con cantidad suficiente de HCI? ¿Cuál es el rendimiento de la reacción?

Las condiciones ambientales del sitio donde ocurre la reacción son de 0.90 atm de presión y 24.1 °C. La cantidad de gas recolectado por desplazamiento de agua es de 775.0 ml.

La ecuación química que representa la reacción es:

NaHCO3 (5) HCI (ac) CO2(g)+NaCl(ac)+H2O(l)

84.0g 4.0 g

Para calcular el número de moles de CO2 obtenidos, se utiliza la ecuación general de los gases:

PV = nRT n= PV/RT

n = 0.90 x 0.775 L / 0.082 atm L mol-1K-1 x 297.1 K

n= 0.030 moles

El número de moles de CO2 se transforma a gramos:

n = g /masa molar g = n x masa molar

g = 0.030 x 44.0 = 1.32 g de CO2

El rendimiento de la reacción se calculará:

3.35 g de NaHCO3 x 44.0 g de CO2 / 84.0 g de NaHCO3 = 1.76 g de CO2 es el rendimiento teórico expresado en términos de porcentaje.

% = rendimiento obtenido / rendimiento esperado x 100

1.32 /1.76 x 100 % 75%

Destrezas con criterios de desempeño. Clasifica los diferentes tipos de soluciones, la descripción de sus componentes y propiedades, la explicación de la solubilidad y su relación con diversos factores físico-químicos. (C) (F)

Activo mis conocimientos previos. ¿De dónde toman los seres acuáticos el oxígeno para respirar?

Analizo la situación problema

Ciencia, tecnología y sociedad. Oxígeno en ecosistemas acuáticos

Las truchas requieren concentraciones mayores a 4.0 ppm para permanecer saludables, mientras que muchas especies de crustáceos pueden vivir y reproducirse en ambientes acuáticos donde la concentración de oxígeno disuelto oscila entre 2.0 y 0.10 ppm.

Surgen algunos cuestionamientos: ¿qué papel desempeña el oxígeno en los ecosistemas acuáticos?, ¿cómo se controlan estos niveles?, ¿por qué es importante controlar estos niveles?

Los ecosistemas acuáticos reciben oxígeno, el cual se disuelve en el agua, de dos fuentes. La primera es la entrada de oxígeno atmosférico que está determinado por la presión de oxígeno en la atmósfera y la turbulencia de las aguas. La segunda fuente tiene relación con la generación de oxígeno dentro del agua por medio de organismos fotosintéticos.

La presencia de oxígeno disuelto en el agua es vital para el desarrollo de la vida de los organismos acuáticos aerobios para la generación de energía y la movilización de carbono hacia las células.

El control de oxígeno disuelto en el agua en criaderos de truchas y de otros seres acuáticos es fundamental para que se lleve a cabo un adecuado pro-ceso de producción. Valores de oxígeno

disuelto menores a los requeridos influirán en el rendimiento, lo cual implica pérdidas económicas.

El diseño de los criaderos, su ubicación, entre otros aspectos, deben ser tomados en cuenta para lograr los objetivos; por lo tanto, en este tipo de actividades confluyen disciplinas como la Biología, la Física, la Química, el Diseño y la Economía.

Reflexiono

1. ¿Qué significa ppm? ¿En qué casos se utiliza?

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2. Investiga, ¿qué otras funciones cumple el oxígeno disuelto en el agua?

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3. ¿Cómo podría intervenir el ser humano para mejorar el oxígeno disuelto en un criadero?

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El estado líquido

De acuerdo a la teoría cinético-molecular, los líquidos presentan las siguientes características:

No tienen forma definida.

Tienen volumen definido.

Tienen fluidez.

Se difunden en líquidos con los cuales son miscibles.

Las fuerzas de atracción entre partículas permiten la formación de cúmulos desordenados y dejan pocos espacios vacíos; razón por la cual los líquidos no son compresibles.

Las fuerzas intermoleculares (entre partículas de una sustancia) son más fuertes que en los gases. Sin embargo, hay que recordar que siguen sien-do fuerzas débiles comparadas con las fuerzas intramoleculares (enlaces iónicos y covalentes).

Propiedades de los líquidos

Los líquidos presentan diferentes propiedades que dependen tanto de la propia estructura como de la intensidad de la fuerzas de atracción entre las partículas.

Viscosiz se define como la resistencia que presenta un líquido a fluir. Esto ocurre cuando las partículas se deslizan unas sobre otras debido a la fricción interna de un fluido. Si las fuerzas de atracción intermoleculares son grandes, hay mayor cohesión, el deslizamiento ocurre más lentamente y al líquido se lo califica de viscoso. Por ejemplo, la facilidad con la que fluye el alcohol, es contrastada con la fluidez de la miel de abeja que es un líquido más viscoso.

La viscosidad de los líquidos se ve influenciada por el peso molecular, el tamaño y área superficial de las moléculas, y la capacidad para formar puentes de hidrógeno. La viscosidad cambia a distintas temperaturas. Esto ocurre debido a que un aumento de la misma hace que las moléculas se muevan con mayor rapidez, disminuyendo la viscosidad. Los estudios de viscosidad son muy importantes en el desarrollo de sustancias lubricantes como aceites y grasas para motores, entre otros.

Presión de vapor es la presión que ejercen las moléculas de una sustancia en fase gaseosa sobre la fase líquida de la misma sustancia. La temperatura incrementa la presión de vapor. Los líquidos que se evaporan fácilmente tienen valores de presión de vapor altos y se denominan volátiles.

Actividades

1. ¿Por qué se utilizan solventes volátiles como disolventes de pinturas?

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Alcance a los conceptos de vaporización y condensación

Los líquidos tienen sus moléculas en movimiento constante, esto ocasiona que algunas de ellas escapen del líquido y se conviertan en vapor. Las moléculas de vapor, a su vez, pueden regresar al estado líquido ocurriendo un proceso de condensación. Estos cambios se producen debido a los cambios en la temperatura. La temperatura a la cual el líquido pasa al estado de vapor se denomina punto de ebullición

Capilaridad: es la capacidad que tienen los líquidos para ascender por las paredes de un tubo. Las partículas que conforman un líquido se mantienen unidas gracias a las fuerzas intermoleculares de cohesión y las fuerzas que unen al líquido a la pared interna del tubo capilar o del recipiente se denominan fuerzas intermoleculares de adhesión. Cuando las fuerzas de adhesión superan a las de

cohesión, el líquido asciende y da lugar a una concavidad; caso contrario, descienden y forman una superficie convexa. Esta propiedad es muy importante en el desarrollo de las plantas ya que las raíces y tallos generan fuerzas de adhesión que permiten el ascenso del agua.

Agua, el solvente más común

El agua es un líquido polar que disuelve con facilidad los compuestos iónicos debido a que tiene la capacidad de atraer los iones lejos de la red cristalina. Las moléculas de agua rodean la red y atraen los iones por cargas opuestas. La atracción de las moléculas de agua a los iones es tan fuerte que puede separarlos de su estructura original, de esta manera el ion se incorpora a la soluciones disolviéndose y permaneciendo rodeado de las moléculas de agua.

El agua es considerada el solvente universal, a continuación se presentan algunas de sus propiedades.

Propiedades del agua

Viscosidad 0.89 centipoise a 25Presión de vapor 4.6 mm Hg a 4Densidad 1.0 g/cm3 a 4Punto de ebullición 100V a 1 atm de presiónPunto de fusión 0.0

Poise es la unidad de viscosidad: 1 poise = 101 N.S/m2

Composición de las soluciones Las soluciones son mezclas homogéneas de, al menos, dos sustancias que no reaccionan entre sí: el soluto y el solvente. Una solución puede tener más de un soluto. Sus componentes pueden ser separados por medio de procesos físicos como la filtración, destilación y evaporación, entre otras. Las so-luciones son estables, no se sedimentan si están en reposo y, además, dejan pasar la luz.

El soluto es aquella sustancia que se encuentra en menor cantidad, en tanto que solvente es la que se encuentra en mayor proporción. El solvente más común en la mayoría de las soluciones es el agua. Cuando no se indica lo contrario, se asume que el solvente es agua.

Características del soluto y del solvente

¿Cómo se consigue una mezcla homogénea estable? Las condiciones que se toman en cuenta para que una solución sea homogénea son: el tamaño de la partícula del soluto y la afinidad del soluto con el solvente.

El tamaño de la partícula del soluto no puede ser mayor a 1.0 nm y su masa molecular debe ser baja. Cuando las partículas son más grandes, se forman suspensiones, las cuales son mezclas heterogéneas.

Por afinidad se entiende que la estructura molecular, tanto del soluto como del solvente, sea similar; dicho de forma fácil: "lo igual disuelve a lo igual: La atracción entre las moléculas producida por fuerzas intermoleculares favorece la solubilidad del soluto. Esto se puede evidenciar en los siguientes ejemplos:

Compuestos inorgánicos iónicos se disuelven fácilmente en agua, el cual es un solvente altamente polar mientras que el soluto forma iones. Compuestos orgánicos polares —como los azúcares o alcoholes se disuelven en agua debido a que tienen momentos dipolares o forman puentes de hidrógeno. Compuesto apolares como hidrocarburos y grasas se disuelven en sol ventes no polares como hexano, tetracloruro de carbono, benceno, entre otros. Las atracciones se producen

Recuerda

Recuerda

Los solventes orgánicos tienen presiones de vapor altos, por lo que se evaporan

Investiga

¡Por qué se conoce al agua como solvente universal?

debido a las fuerzas de Van der Waals, las cuales ocurren dentro de la estructura atómica de la materia; como re-sultado de pequeñísimos desequilibrios en la distribución de la carga eléctrica, los electrones se agrupan ocasionalmente a un lado de la molécula, al mismo tiempo se fija una carga positiva al otro lado, ofreciendo un comportamiento eléctrico determinado. (Hewitt, 192; Quinta edición)

Disolución

El proceso para preparar una solución se conoce como disolución, para lo cual se necesita que las moléculas o iones del soluto y del solvente se unan formando una mezcla homogénea. Este proceso depende de las fuerzas de atracción presentes entre las partículas. Si los compuestos tienen fuerzas de atracción similares, pueden unirse.

La cantidad de soluto que se puede disolver en un solvente depende de la solubilidad de la sustancia. La solubilidad es la cantidad máxima de soluto que se puede disolver en una cantidad dada de solvente a una temperatura específica. Esta cantidad máxima da como resultado una solución saturada.

Solubilidad de diferentes compuestos a diferentes temperaturas.

Solutot SolubilidadGramos de soluto por 100g de agua20

NaCl 36.00KCl 34.00NaNO3 88.00KClO3 7.400AgNO3 222.0C12H22O11 203.9

Cuando el soluto y el solvente de una solución pueden mezclarse en todas las proporciones se habla de fluidos miscibles, en tanto que si un soluto y un solvente no pueden formar una solución se conoce como fluidos inmiscibles; por ejemplo, el aceite y el agua.

Conexión con la

Observa la siguiente simulación que presenta un proceso de disolución http://www.mhhe.com/physsci/chemistry/

El etanol en agua es un ejemplo de fluido miscible pues se pueden mezclar en cualquier proporción; además forman una mezcla azeotrópica que quiere decir que una porción del soluto (aproximadamente el 5 % en este caso) no puede ser separado completamente del solvente por ningún proceso físico.

Dependiendo de la naturaleza de los gases, estos pueden o no disolverse en diferentes líquidos; así, el 02 —que es un gas no polar— se disuelve en cierto grado (0.041 gramos por litro de agua a 25 °C) en el agua —que es un compuesto polar—. Otro gas no polar constituye el CO2 el cual, por reaccionar parcialmente con el agua formando ácido carbónico, incrementa su solubilidad a 1.45 gramos por litro de agua a 25 °C.

Los haluros de hidrógeno, como son HCI, HBr y HI, son gases polares que se disuelven e ionizan en el agua. El HF forma puentes de hidrógeno por lo que su solubilidad es apreciable a pesar de su baja ionización.

Cuando se realiza la preparación de soluciones de ácidos como el sulfúrico o nítrico, hay que tener mucho cuidado debido a que esta disolución es un proceso exotérmico que puede provocar salpicaduras y que las soluciones hiervan.

Recuerda

Cuando se disuelve un ácido en agua se debe colocar el ácido sobre el agua muy lentamente y formar un chorro continuo.

Factores que modifican la solubilidad de las sustancias

Efecto de la temperatura

En la mayoría de las sustancias, un aumento de temperatura favorece la disolución de un sólido en un líquido. Esto se puede observar el siguiente diagrama.

Sin embargo cuando el soluto es un gas, el comportamiento es diferente. Un aumento de temperatura hace que la solubilidad disminuya, las partículas de gas llegan a la superficie con más facilidad y no se quedan como parte de la solución.

Efecto de la presión

Los cambios en la presión no alteran la solubilidad de un sólido o de un líquido; en cambio, la solubilidad de los gases aumenta si la presión aumenta. Lo anterior se puede observar claramente cuando se destapa una lata que contiene una bebida gaseosa.

La presión sobre el líquido disminuye y las burbujas de gas escapan. Una disminución de la presión hace que también disminuya la solubilidad del gas en el líquido.

Tipos de solución

Las soluciones se clasifican en función del estado físico en el que se encuentran el soluto y el solvente. Así tenemos:

Tipos de solución Ejemplo Soluto SolventeGas en gas Aire Oxígeno CO2 NitrógenoGas en líquido Agua carbonatada CO2 AguaGas en sólido H 2 en paladio Hidrógeno PaladioLíquido en gas Aire húmedo Agua AireLíquido en líquido Alcohol antiséptico Alcohol AguaLíquido en sólido Amalgama dental Mercurio PlataSólido en gas I2 en aire Yodo AireSólido en líquido Agua azucarada Azúcar AguaSólido en sólido Bronce (aleación) ZInc Cobre

Propiedades coligativas de las soluciones

Las soluciones presentan propiedades diferentes a las del solvente puro. Las propiedades que se ven alteradas son:

Punto de fusión: el punto de fusión de una solución es menor al punto de fusión del solvente puro; la disminución de temperatura es proporcional a la cantidad de soluto disuelto. Esta propiedad es utilizada en la industria de los anticongelantes. Estas sustancias no se congelan en los radiadores de los autos cuando la temperatura baja por debajo del punto de congelación del agua.

Presión de vapor: la presión de vapor de una solución es menor a la del sol-vente puro. La disminución es proporcional a la cantidad de soluto disuelto.

Punto de ebullición: el punto de ebullición de una solución es mayor a la del solvente puro, de igual forma el aumento de temperatura depende de la cantidad de soluto disuelto.

Presión osmótica: las soluciones ejercen mayor presión osmótica que el solvente puro. Si se colocan dos soluciones de distintas concentraciones en compartimentos separados por una membrana semipermeable las moléculas del solvente pasarán de la solución menos concentrada a la solución de mayor concentración.

Actividades

1. Señala ejemplos de soluciones, indicando el soluto y el solvente.

Tipos de solución Ejemplo Soluto SolventeGas en líquidoLíquido en líquidoSólido en líquidoLíquido en gas

2. Toma 3 vasos de precipitación con la misma cantidad de agua. Enfría con hielo el agua del primer vaso a 4.0 °C, deja el segundo vaso a temperatura ambiente y calienta el tercer vaso a 60 °C. Coloca una funda de té en cada vaso. Describe lo sucedido después de 30 segundos.

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3. Muchas personas sostienen que el agua hervida tiene un sabor distinto al agua potable que sale de fa llave. ¿Cuál podría ser una razón?

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4. Una práctica muy común en los países que tienen invierno con nieve es colocar sal en las carreteras congeladas, de esta manera se consigue derretir el hielo de forma fácil. Explica, basándote en las propiedades coligativas, ¿por qué ocurre este fenómeno?

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Tema 5. Concentración de las soluciones

Destrezas con criterios de desempeño. Analiza el papel de las soluciones corno medio de reacción a partir de la identificación, descripción e interpretación de situaciones teórico-practicas, cualitativas y cuantitativas, relacionadas con el cálculo de concentración de soluciones en unidades físicas y Químicas y con la realización de diluciones y neutralizaciones. (C) (F)

Activo mis conocimientos previos. ¿Qué sustancias se encuentran en solución dentro del organismo?

Analizo la situación problema

Ciencia, tecnología y sociedad

Soluciones dentro del organismo

Si un glóbulo rojo es colocado en una solución de concentración diferente a la concentración del plasma sanguíneo se produce un movimiento de agua que puede hacer que la célula disminuya su tamaño o se hinche. ¿Qué efecto tendría esto sobre las células?

Las células, para cumplir con sus funciones, deben encontrarse en medios isotónicos, esto quiere decir que la concentración de solutos es el mismo dentro de la célula y fuera de ella. De esta manera, se evita que las células se hinchen y puedan llegar a reventarse o sufran plasmólisis.

De esta situación, surgen los siguientes cuestionamientos: ¿de qué manera los fluidos del cuerpo mantienen una concentración constante?, ¿qué sucede cuando se deben introducir soluciones al torrente sanguíneo?

Los fluidos del cuerpo se mantienen en constante movimiento, el agua va de un compartimento a otro equilibrando las concentraciones. Las características de las membranas y la autorregulación de las funciones vitales permiten que este fenómeno se dé continuamente. El desarrollo de

medicamentos se ha basado en estos conceptos para utilizar soluciones isotónicas como vehículo transportador de los principios activos, de tal forma que no produzcan alteraciones debido a cambios en la presión osmótica lo cual derivaría en daño celular. Soluciones de cloruro de sodio al 0.9 % y la solución de Ringer son soluciones isotónicas muy utilizadas.

Reflexiono

1. Define el término isotónico.

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2. Cuando una persona tiene hinchados sus pies, una forma de desinflamarlos es colocándolos en agua con sal. Utilizando este ejemplo, explica el proceso de ósmosis.

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3. Investiga cómo se prepara la solución Ringer.

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Soluciones diluidas y saturadas

Como se había indicado, las soluciones son mezclas homogéneas; por lo tanto, la proporción de soluto - solvente no es fija. La cantidad de soluto disuelto puede ser interpretada de forma cualitativa y también de forma cuantitativa.

Las soluciones pueden ser preparadas con poco soluto lo cual dará origen a una solución diluida, también se puede colocar mayor cantidad de soluto teniendo como resultado una solución concentrada. Los términos poco o mucho son muy relativos y dependerán de la solubilidad que

presenta cada soluto en un determinado solvente; por consiguiente, estos términos no indican algo cuantitativo.

Ejemplo:

Se preparan, por separado, la solución X y la solución Y, disolviendo 0.9 g del soluto en 100 ml de agua. La solución X contiene un soluto que tiene una solubilidad de 1.00 g por 100 ml y la solución Y tiene un soluto con una solubilidad de 10.00 g por 100 ml .

Se puede decir que la solución X se encuentra concentrada y la solución Y está diluida.

Cuando la cantidad de soluto que se disuelve en un solvente es la cantidad máxima que puede disolverse, se dice que la solución se encuentra saturada y, si sobrepasa la cantidad que se puede disolver, la solución está sobresaturada. Normalmente se logra preparar soluciones sobresaturadas elevando la temperatura del solvente.

Ejemplo:

Si se necesita preparar una solución saturada de la sustancia A (solubilidad 10.0 g por 100 ml de agua), se tendrá que disolver 10.0 g de la sustancia en 100 ml de agua.

Si se desea sobresaturar la solución se puede calentar la misma, añadiendo una cantidad de soluto mayor a 10.0 g; en ese caso la solubilidad aumenta; sin embargo, al enfriarse, se podrá observar el soluto o cristales del mismo.

Actividades

1. Cita ejemplos de soluciones que preparas en el desarrollo de tu vida diaria. Identifica el soluto, el solvente y cómo la describirías cualitativamente en función de su concentración. Sustenta tu respuesta.

Solución Soluto Solvente CaracterísticaAzúcar en café Azúcar Agua de café Diluida si se agrega poco. Concentrada si

se añade en grandes cantidades.

2. Considerar un soluto que tiene una solubilidad de 15.0 g por 100 ml. Describe cómo prepararías una solución diluida, una solución concentrada y una solución saturada.

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Muchas de las reacciones químicas que se realizan en el laboratorio y en la industria ocurren en medios acuosos por lo que la preparación de soluciones de forma cuantitativa es de suma importancia. Conocer la cantidad de soluto disuelto en una solución garantiza que los procesos puedan ser controlados de forma que no haya desperdicio de reactivos. La concentración de las soluciones pueden expresarse en varios tipos de unidades. A continuación se presentarán las más usadas.

Concentración en porcentajes

El porcentaje es una proporción cuantificable de una magnitud física y puede ser expresada de diferentes maneras:

m/v: masa de soluto en 100 unidades de volumen de solución

m/m: masa de soluto en 100 unidades de masa de solución

v/v: volumen de soluto en 100 unidades de volumen de solución Cuando se expresa la concentración de una solución en porcentaje y no se especifica el tipo, se refiere a m/v.

Concentración en porcentaje de masa por volumen (%m/v)

Se refiere a la masa de soluto expresada en gramos en 100 ml de solución

.

%mv

= masade soluto100mlde solucion

x 100

Concentración en porcentaje de masa (%m/m o % en masa)

Se refiere a la masa de soluto en 100 unidades de masa de la solución.

Se expresa de la siguiente manera.

% enmasa= gramos desolutogramosde solución

x100

La masa es aditiva, por esta razón la masa de solución se coloca de la siguiente manera.

% enmasa= gramosde solutogramosde soluto+gramosde solvente

x100

Concentración en porcentaje de volumen por volumen (% v/v o %en volumen)

Es una concentración muy utilizada en cuando los componentes son líquido o gases. Se refiere al volumen de soluto disuelto en 100 unidades en volumen de solución.

Se expresa de la siguiente manera.

% enmasa= litrosde solutolitrosde solució n

x 100

El volumen no es aditivo.

Recuerda

Para muchos de los cálculos que se realizan en Química, se asume que la densidad de una solución es igual a la densidad del agua.

La concentración de las soluciones puede ser expresada en unidades químicas como son:

Molaridad

Es la unidad más utilizada para expresar concentración de las soluciones. Se la representa con la letra M. Se define como el número de moles de soluto en un litro de solución.

Molaridad= molesde solutolitrode soluci ón

Una solución 1 molar se refiere a un mol de soluto disuelto en un litro de solución.

Para asegurar que la concentración de una solución es la esperada, se deben seguir algunos pasos:

Técnicas para preparar soluciones

Los materiales de vidrio deben estar lavados y homogenizados con agua destilada y secados. Se pesa la cantidad de soluto necesaria en el caso de preparar una solución 1 molar (lo equivalente a 1 mol de acuerdo al soluto). Disolver el soluto en una cantidad pequeña de solvente ayudado de una varilla de agitación. Transferir la solución a un balón aforado de 1 000 ml. Aforar con agua destilada suficiente hasta la línea de aforo.

Cuando las soluciones preparadas se van a utilizar en métodos analíticos cuantitativos, es importante verificar su concentración utilizando técnicas de estandarización. Tanto la preparación de soluciones como la determinación de la cantidad de soluto presente en un volumen específico de solución requieren de una serie de cálculos, los cuales se presentan a continuación.

Problemas propuestos Calcula la molaridad de una solución que contiene 0.87 g de NaOH en 1.5 litros de solución. M= moles de soluto / V (en litros) de solución M = 0.87 / 1.5 = 0.58 M

• Calcula La cantidad necesaria de Ba(OH)2 para preparar 500 ml de una solución 038 M. 1 mol de Ba(OH)2 equivale a 171.33 g • ¿Cuántas moles de HCI se encuentran en 30.0 ml de una solución 0.250 molar? M = moles de soluto /V (en litros) de solución Por lo tanto: Moles de soluto = M x V (en litros) de solución más comúnmente conocido como C x V (concentración por volumen) Moles de soluto = 0.25 x (30.0/1 000) Moles de soluto = 7.5 x 10-3

Glosario

Homogeneizar. Hacer un último enjuague con agua destilada el material a ser utilizado en la preparación de soluciones.

Estandarización. Proceso para determinar con

Normalidad

Es una unidad química de concentración que se refiere al número de equivalentes gramo de soluto que se han disuelto en un litro de solución. Se representa con la letra N.

Normalidad= ¿deeq−glitrode solució n

Normalidad=(gramos de soluto

eq−g)

litrode solución

El equivalente gramo de un elemento es su masa atómica dividida para su valencia. En el caso de los compuestos, depende de la reacción química en la que participan. Así, en el caso de los ácidos, corresponde al número de iones hidronio que donan; en las bases, es el número de iones hidroxilo que se forman.

Ejemplos.

El equivalente gramo del Ba(OH)2 corresponde a 171.4 / 2 = 85.7 eq-g

El equivalente gramo del HNO3 corresponde a 63.0 / 1 = 63.0 eq-g

Problema propuesto

• Calcula la concentración normal de una solución que contiene gramos de ácido sulfúrico por litro de solución.

Equivalente gramo del H2SO4 = 98 / 2 = 49 eq-g

Normalidad = (gramos de soluto / eq-g) / litro de solución

Normalidad = (3.75 / 49) / 1

Normalidad = 0.0765

Molalidad

La molalidad, conocida con la letra m, es la relación que existe entre los gramos de soluto expresados en moles por kilogramo de solvente.

Conexión con la tecnología

Ingresa a la siguiente página web y observa las simulaciones sobre sales, molaridad y solubilidad: mtp://phetxolorado.edu/en/sinitgaiion:

Molalidad= molesde solutokilogramode solvente

Problema propuesto

¿Cuál es la molalidad de una solución que contiene 128.0 g de metano! CH3OH en 108.0 g de agua?

Masa molar del CH3OH es igual a (12 x 1) + (1 x 4) + (16 x 1) = 32 g / mol

Número de moles de metanol es igual a n = g / mm 128.0 / 32 = 4.0 moles

Molalidad = moles de soluto / kilogramo de solvente

Molalidad = 4.0 / 0.108 kg = 37 m

Fracción molar

La fracción molar es una forma de expresar una concentración sin unidades y en valores que comprenden entre O y 1. La fracción molar se expresa con la letra X y la suma de las fracciones molares es máximo 1.

X soluto+X solvente=1

La fracción molar es el cociente entre el número de moles de un componente de la disolución y el número de moles total de todos los componentes.

La fracción molar es el cociente entre el número de moles de un componente de la disolución y el número de moles total de todos los componentes.

Al tener soluto y solvente, la expresión se da de la siguiente manera:

Xsoluto=

nsolutonsoluto+nsolvente

X solvente=nsolvente

nsoluto+nsolvente

Siendo n el número de moles

Problema propuesto

Se prepara una solución disolviendo 100.0 de etanol en 250.0 g de agua.

Calcular la fracción molar del soluto y el solvente.

Masa molar del etanol = 46.0 g/mol

Moles de etanol = 100.0/46 = 2.17 g/mol

Masa molar del agua = 18.0 g/mol

Moles de agua = 250.0 / 18.0 = 13.9 g/mol

Xetanol 2.17 / 2.17 + 13.9 = 0.14 Xagua=13.9/2.14+13.90.86

Xsoluto+Xsolvente 0.14 + 0.86 = 1.00

Actividades

Cálculos con concentraciones

1. Describe cómo se prepararían 500.0 ml de una solución 0.5 M de cloruro de litio (LiCI). Muestra tus cálculos para determinar la masa necesaria

2. ¿Cuál es la molalidad de una solución que contiene 128.1 g de metanol (CH3OH) en 108.0 g de agua?

3. Se dispone de una solución de NaOH al 40 °Á) en masa con una densidad de 1.43 g/dm3 . Calcula la concentración de esta solución en molaridad, molalidad y fracción molar.

Laboratorio

Producción de oxígeno gas

Recomendaciones de seguridad

Manipular el material caliente con pinzas.

Objetivos:

• Obtener oxígeno por medio de una reacción de descomposición.

• Determinar el porcentaje (%) de rendimiento de la reacción.

Materiales

• Tubo de ensayo. • Espátula. • Clorato de potasio KCIO3 sólido

•Pinzas para tubo de ensayo. • Mechero. y para análisis.

•Soportes universales. •Aparato para recolectar gases •Dióxido de manganeso sólido.

• Pinzas. por desplazamiento de agua •Termómetro y barómetro

(probeta de 500 ml), ambiental

• Balanza tubo de desprendimiento,

manguera, cuba hidroneumática).

Procedimiento

1. Trabaja en grupos.

2. Toma la temperatura y presión ambientales y registrarlas. Rotular 5 tubos de ensayo para cada muestra (total: 45 tubos).

3. Pesa 0.25 g de KC/03 y coloca en un tubo de ensayo.

4. Añade una pizca de Mn02.

5. Tapa el tubo con un corcho.

6. Arma el equipo como muestra el diagrama.

7. Registrar el volumen de gas obtenido.

Obtención de datos

Título: Presión TemperaturaTítulo: Grupo Volumen de gas obtenido (ml)

Promedio

Procesamiento de datos

1. Escribe la ecuación química que representa la reacción realizada.

______________________________________________________________________________

2. Determina los gramos de 02 obtenidos en la reacción.

3. Calcula el rendimiento teórico de 02 en esta actividad. 4. Calcula el porcentaje (%) de rendimiento de esta actividad.

Conclusiones

1. Refiérete al tipo de reacción, % de rendimiento, disolución del oxígeno en el agua, el momento de la recolección, limitaciones, sugerencias.

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. Investiga de qué manera se obtiene oxígeno de forma industrial y qué aplicaciones tiene este gas.

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EVALUACIÓN DE BLOQUE

1. Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas (V) o falsas (F). De no ser ciertas escribe cual es la respuesta correcta.

Respuesta correctaa) La sensaciones de frío y calor son idénticas para todas las personasb) La variación de temperatura en grados Celsius es igual que la variación en Kelvinc) En el equilibrio térmico, los cuerpos intercambian temperaturad) La dirección en la que fluye el calor es la que abandona el cuerpo más pesado y se dirige hacia el cuerpo más livianoe) Una sustancia puede experimentar modificaciones de temperatura y de fase al mismo tiempof) El agua se caracteriza por presentar el más bajo valor de calor específicog) La conducción de calor es determinante en los líquidosh) Las corrientes de convección se forman por una diferencia de densidadi) La radiación de calor puede darse hasta en el vacíoj) Los líquidos se dilatan linealmente k) En un sistema adiabático no existen cambio de energía internaI) La entropía en el universo nunca disminuye de manera espontánea

Preguntas de desarrollo

2. ¿Qué sucede a la presión de un gas si la temperatura se incrementa cuatro veces, manteniendo constante el volumen?, ¿y si es que el volumen se reduce a la mitad sin experimentar cambio de temperatura, cómo se afecta la presión?.

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3. Describe tres propiedades del agua.

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Indicadores esenciales de evaluación

Explica las leyes de los gases y resuelve ejercicios cotidianos al relacionar esta temática con la estequometríaEstablece las propiedades de los líquidos utilizando el agua como un elementos de referenciaIdentifica claramente los factores que modifican la concentración de una solución.Describe la forma para determinar la concentración de una disolución y calcula, empleando para ello, unidades físicas y químicas.Neutraliza de manera experimental en base a los respectivos cálculos matemáticos.

Problemas

4. En un recipiente de 8.0 litros de capacidad se encuentra almacenado oxígeno a una temperatura de 180 °C y 4 atmósferas de presión. Determina la masa de oxígeno gaseoso presente.

5. Una pequeña botella sellada de 250 cm3 de capacidad contiene a presión atmosférica nitrógeno en estado gaseoso a 18 °C. Si la botella se lanza al fuego, la temperatura alcanza 150 °C. Asumiendo que el cambio de volumen experimentado por la dilatación de la botella es insignificante, determina la presión ejercida por el gas.

6. ¿Cuál es la energía cinética media molecular en el caso de que 2.5 moles de gas se halla confinado en un recipiente de 4.0 litros a una presión de 6.0 atm?

Autoevaluación

Indicadores esenciales de evaluación Bajo Medio AltoExplico las leyes de los gases y resuelvo ejerciciosEstablezco las propiedades de los líquidosIdentifico los factores que modifican la concentración de una soluciónDescribo la forma para determinar la concentración de una disolución y realizo cálculosNeutralizo soluciones y realizo los respectivos cálculos matemáticos

Ácidos, bases y sales

Eje curricular integrador

Comprender los fenómenos físicos y químicos como procesos complementarios e integrados al mundo natural y tecnológico.

Ejes del aprendizaje

Reconocimiento de situaciones o cuestiones científicamente investigables.

Bloque 4

Llevar a cabo la identificación de la evidencia necesaria en una investigación científica. Extraer o evaluar conclusionesComunicar las conclusiones válidasRealizar demostraciones de su comprensión de conceptos científicos

Ruta de aprendizaje

El mundo de los ácidos, bases y sales

Ácidos y bases

Reacciones Neutralización

Electrolitos Ionización del agua

Disociación e ionización

pH

Indicadores esenciales de evaluación

• Neutraliza disoluciones de manera experimental, basándose, para ello, en los respectivos análisis matemática.

• Describe las tres definiciones más importantes de ácidos y bases mediante esquemas explicativos.

• Diferencia los términos: electrolito fuerte, electrolito débil y no electrolito, y cita ejemplos que se encuentran en su entorno.

• Analiza y explica el proceso de disociación e ionización de electrolitos.

• Define el concepto pH, establece su escala y halla ejemplos de ácidos y bases que correspondan a cada uno de los valores de la escala en la vida diaria.

Tema 1. Propiedades de los ácidos y las bases

Destrezas con criterios de desempeño. Describir ácidos y bases a partir de la interpretación cualitativa y cuantitativa de las teorías de Arrhenius, Brensted&Lowry Leiwis en Mermes procesos químicos representados mediante ecuaciones, y de la clasificación de las propiedades y formas de reaccionar. ( F)

Activo mis conocimientos previos. ¿Cómo se forman los ácidos y las bases?

Analizo la situación problema

El consumo de antiácidos es una práctica muy común en la población a nivel mundial. La acidez gástrica ocurre por una producción excesiva de ácido en el estómago, la cual origina un ardor que puede sentirse desde el abdomen hasta la garganta. Esta dolencia se relaciona con los malos hábitos alimentarios, el consumo de alcohol, el tabaco y de forma importante el estrés.

De la situación problema surgen algunos cuestionamientos. ¿Qué efectos producen estos medicamentos dentro de nuestro organismo? ¿Es recomen-dable consumir antiácidos? ¿Qué ventajas y desventajas existen al ser estos medicamentos de venta libre? Como podrás analizar, los fenómenos que ocurren a nuestro alrededor se encuentran relacionados con varias disciplinas y se requiere de conocimientos integrados para entenderlos y explicar-los. En este caso la Química

está presente en cómo y qué tipo de reacción ocurre entre el ácido del estómago y las sustancias presentes en el antiácido que ingerimos. La Biología puede explicarnos la fisiología del sistema digestivo. También, están involucradas las áreas de la salud en cuanto a la manera como se deben usar estos medicamentos en forma eficiente y segura. Además, dentro de este análisis se deberá tomar en cuenta la investigación que realiza la industria farmacéutica para la producción de estos medicamentos y como ellos garantizan la calidad de los mismos y los avances que se ocurren en esta área. Por supuesto los factores económicos, sociales e incluso de mercadeo forman parte de este fenómeno aparentemente sencillo. Y para finalizar la responsabilidad que cada uno de nosotros tenemos frente al cuidado de nuestra salud y la práctica de hábitos saludables.

Los antiácidos son medicamentos de venta libre, se dispone de ellos en una variedad muy amplia.

Reflexiono

1. ¿Qué tipo de sustancias están presentes en los antiácidos? ¿Por qué alivian el ardor? Sustenta tu respuesta.

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2. Explica, ¿cómo el estrés puede alterar la normal producción de ácido en el estómago?

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3. Investiga, ¿qué riesgos conlleva el consumo de antiácidos?

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¿Qué diferencias existen entre un ácido y una base?

Desde tiempos antiguos muchos químicos estuvieron interesados en definir qué es un ácido, luego de varias propuestas y redefiniciones finalmente en1884 el químico sueco Svante Arrhenius logró proponer una definición para los ácidos y las bases de acuerdo con su teoría iónica, la cual refiere lo siguiente:

Ácidos según Arrhenius Bases según ArrheniusProducen iones hidrógeno (Hl en solución acuosa

Producen iones hidroxilo (OH") en solución acuosa

Tienen sabor agrioTienen sabor amargo

Dato curioso...

En 1787 Layoisier propuso que todos los ácidos tenían oxígeno, es más el término oxígeno

El papel tornasol toma color rojo al contacto con ellos.

El papel tornasol toma color azul al contacto con ellas

HCI (ac) H+ CI NaOH (ac) Na + (OH)

Cuando un ácido y una base se juntan forman una sal y agua, esta reacción se conoce como neutralización y será abordada con más detalle en el tema dos de este bloque. Observa el ejemplo:

HCI + NaOH NaCI + H20

Ácido clorhídrico Hidróxido de sodio Cloruro de sodio (Sal) Agua

En la actualidad se sabe que los iones de hidrógeno no existen de forma simple cuando están en una solución acuosa. Cuando un átomo de hidrógeno pierde su único electrón queda el núcleo con un solo protón, el cual es demasiado reactivo para existir como un ión estable por lo que se forman protones hidratados representados como (H30)- o lo que se conoce como iones hidronio.

Por lo tanto, un ácido según Arrhenius es una sustancia que produce iones hidronio (H30)-, en solución acuosa. Por facilidad, los términos ion hidrógeno o ion hidronio se utilizan indistintamente.

El tornasol es una sustancia que se extrae de un liquen, el cual sirve como un indicador cualitativo de pH. En presencia de ácidos toma color rojo, y en presencia de bases se hace azul.

Ácidos y bases según Bronsted y Lowry

La definición de ácidos y bases según Arrhenius se sigue utilizando cuando se refiere a soluciones acuosas. Sin embargo, hay substancias que a pesar de no tener (OH)'- en su fórmula se comportan como bases o en ocasiones se trabaja con otros disolventes. Para estos casos, en 1923, dos científicos que trabajaron de forma independiente (Bronsted y Lowry), propusieron definiciones para los ácidos y bases que no son contradictorias, sino más bien complementarias.

En 1787 Layoisier propuso que todos los ácidos tenían oxígeno, es más el término oxígeno

Según Bronsted y Lowry un ácido es una sustancia donadora de protones, y una base es una sustancia receptora de protones. En función de esta definición el agua es un compuesto que puede actuar como ácido o como base, por lo que el agua es una sustancia anfiprótica.

HCI (ac) + H20 (I) (H30) + (ac)+ CI (ac)

Ácido Dona protones Base Recibe protones

Según Bronsted y Lowry, se incluyen otras especies que tienen la capacidad de donar o aceptar un protón. Observa el siguiente ejemplo con el amoníaco, NH3.

NH3 (ac) + H20 (l) (NH4)+ +(ac) + (OH)` (ac)

Base Recibe protones Ácido Dona protones

Las definiciones de ácidos y bases según Bronsted y Lowry se basan en una reacción en donde la sustancia que dona el protón es un ácido y aquella que lo recibe es una base. Esto da origen a que un ácido genere una base, la cual es el ácido sin su protón, y de la misma forma que la base al recibir un protón genere una sustancia que tendrá la capacidad de donar un protón actuando como ácido. Estas parejas se denominan pares conjugados ácido-base.

Observa el siguiente ejemplo:

Recuerda

Las sustancias químicas NUNCA deben ser probadas

Glosario

Anfiprótica: Son aquellas que pueden actuar como un ácido o como una base

Desde el punto de vista de la Física, los ácidos al donar protones se quedan con iones negativos y las bases, al recibir protones, se quedan con iones positivos.

Ácidos y bases según Lewis

En 1923, el químico Gilbert Lewis, creador de las fórmulas punto electrón, expandió el modelo de ácidos y bases propuestos por Arrhenius, Bronsted y Lowry, consiguió dar una definición Mucho más general con gran aplicación para la Química Orgánica.

Esta definición no se contrapone a las anteriores, más bien introduce sustancias que no tienen iones, ni transfieren protones.

Según Lewis, un ácido es una sustancia capaz de aceptar y compartir un par de electrones; en tanto que una base es aquella que dona y comparte un par de electrones. En el siguiente ejemplo puedes observar cómo el amoniaco que actúa como una base dona el par de electrones solitarios del nitrógeno al trifluoruro de boro el cual al aceptar el par de electrones actúa corno un ácido.

Actividades

1. Resume en la siguiente tabla las definiciones de ácidos y bases abordadas en este tema.

Según: Ácidos Bases Arrhenius Bronsted y Lowry Lewis

2. Indica, mediante ecuaciones, cómo se comportan el ácido nítrico y el hidróxido de potasio cuando están disueltos en agua.

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Tipos de ácidos

Dependiendo de la cantidad de iones hidronio que un ácido puede donar, los ácidos pueden ser monopróticos, dipróticos o polipróticos. Así, por ejemplo, los ácidos clorhídrico HCI y el nítrico HNO3, son monopróticos, en tanto que los ácidos sulfúrico H2SO4 y carbónico H2CO3 son ácidos

dipróticos y el ácido fosfórico H3PO4 es un ejemplo de un ácido poliprótico.

Dato curioso...

El ácido etanoico más comúnmente conocido como ácido acético, es aquel que se

Los ácidos orgánicos se caracterizan por la presencia del grupo carboxilo -COOH en su fórmula y el protón que son capaces de ceder es aquel que está unido a un átomo de oxígeno. Por lo que el ácido etanoico CH3COOH, es un ácido monoprótico.

Ácidos y bases, fuertes y débiles

La capacidad de ionizarse tanto de los ácidos como de las bases es la responsable de que estas sustancias sean catalogadas como fuertes o débiles.

Los ácidos fuertes son aquellos que se ionizan casi totalmente en agua, esto quiere decir que donan todos sus protones, mientras que los ácidos débiles son aquellos que se ionizan parcialmente o en muy poca proporción. Este proceso da origen a una reacción en equilibrio, que se reconoce por la presencia de una doble flecha. Observa los siguientes ejemplos:

HCI (ac) H+ + Cl

El ácido clorhídrico es un ácido fuerte, cuando se encuentra disuelto en agua se ioniza casi totalmente obteniendo iones hidronio y iones cloruro.

CH3COOH (ac) H+ (CH3C00).

El ácido etanoico es un ácido débil, cuando está disuelto en agua produce pocos iones hidronio y iones acetato. Es una reacción que se encuentra en equilibrio, sin embargo hay una mayor proporción de moléculas de ácido etanoico, lo cual indica la flecha.

La mayoría de ácidos inorgánicos y todos los ácidos orgánicos son débiles, a continuación encontrarás la lista de los ácidos fuertes.

Ácido clorhídrico HCI Ácido sulfúrico H2SO4

Ácido bromhídrico

HBr Ácido nítrico HNO3

Acido yodhídrico Hl Ácido perclórico HCIO4

Recuerda

El ácido etanoico más comúnmente conocido como ácido acético, es aquel que se

Glosario

Ionización.- Fenómeno mediante el cual se producen iones.

Reacción en equilibrio.- Es aquella donde la relación entre los reactivos y productos es fija.

Las bases fuertes también se conocen como álcalis o hidróxidos y son peligrosas ya que destruyen los tejidos y provocan quemaduras químicas.

Las bases fuertes son aquellas que se ionizan casi totalmente en agua, en tanto que las bases débiles se ionizan de forma parcial, produciendo iones hidroxilo. Todos los hidróxidos que se forman con los metales del grupo 1 y los hidróxidos de calcio, estroncio y bario son fuertes. Observa los siguientes ejemplos:

NaOH (ac) Na+ (ac) + (OH) (ac)

El hidróxido de sodio es la base fuerte más conocida, cuando está disuelta en agua forma iones sodio y iones hidroxilo.

Mg(OH)2 (ac) Mg+ (ac) + 2(011). (ac)

El hidróxido de magnesio es una base débil, es poco soluble en agua y se usa como principio activo de los medicamentos antiácidos conocidos como leche de magnesia. Debido a su escasa ionización es muy seguro ingerirlo.

NH3 + H20 (NH4)' + (OH)

El amoníaco acuoso es una base débil muy importante apenas se ioniza alrededor del 1% y tiene un olor muy característico.

Actividades

1. Identifica los siguientes ácidos como monopróticos, dipróticos o polipróticos. a. H2S c. HCIO b. C6H5COOH d.H4P205 (ácido pirofosforoso)

2. Clasifica las siguientes sustancias en ácidos o bases; fuertes o débiles. a. Al (OH)3 c. Ca (OH)2

b. HCN d.Hl 3. Escribe las reacciones de ionización del ácido perclórico y el ácido nitroso.

Reacción de metales con acido.

Reacción de bicarbonato de sodio con. una solución de ácido.

Los materiales de construcción están com-puestos principalmente por carbonato de calcio. La atmósfera debido a la presencia de óxidos de azufre y nitrógeno cada vez es más ácida. Explica, cómo esta situación pue-de afectar a las edificaciones.

1221

Analiza

Los productos de limpieza que se utilizan para limpiar los hornos, los vidrios y destapar cañerías, entre otros, contienen en su composición hidróxido de sodio y amoníaco. ¿Qué ingrediente escogerías al momento de elegir este tipo de productos pro-curando seguridad en su uso? Explica tu respuesta.

Reacciones de los ácidos Las soluciones acuosas de ácidos presentan reacciones características, las cuales te presentamos a continuación:

Reacción con metales que se encuentran sobre el hidrógeno en la serie de reactividad.

Los metales que se encuentran sobre el hidrógeno en la serie de reactividad que se presenta en la página 208 del bloque 6, reaccionan con ácidos des-prendiendo gas hidrógeno y formando una sal. Observa la ecuación química que representa esta propiedad:

Zn(s) + 2 HCI (ac) 112(g) + ZnCl2(ac)

Este tipo de reacciones es muy utilizada en procesos de obtención y trata-miento de metales. Así como, en la producción de aleaciones para evitar reacciones de corrosión.

Reacción con carbonatos y bicarbonatos. Los ácidos en solución acuosa reaccionan con los carbonatos y bicarbonatos desprendiendo CO2 gaseoso, formando una sal y agua.

CaCOs + 2 HCI (ac) CO2 (g) + CaCl2(ac) + H20

NaHCO3(s) + HCI (ac) CO2 (g) + NaCI (ac) + H20 4

Los ácidos en solución acuosa reaccio-nan con óxidos metálicos formando una sal y agua.

2 HCI (ac) + Ca0 (s) CaCl2 (ac) + H20

Reacción de los ácidos con los sulfuros metálicos Los ácidos en solución acuosa reaccionan con sulfuros metálicos produciendo sulfuro de hidróge-no gaseoso y una sal.

H2504 (ac) + FeS HzS (g) + FeSO4

Reacción de los ,áridos con los sulfuros metálicos. Los ácidos en solución acuosa reaccionan con sulfuros metálicos produciendo sulfuro de hidrógeno gaseoso y una sal.

112504 (ac) + FeS HzS (g) + FeSO4

El sulfuro de hidrógeno es un gas de olor a huevo podrido, se encuentra de forma natural en el petróleo, los gases provenientes de los volcanes y en las aguas termales. También se produce por la descomposición anaerobia de restos orgánicos, por lo que comúnmente se lo llama gas de alcantarilla.

Reacciones de las bases Las bases c_ se encuentran disueltas en agua liberan iones (OH)., que son los -es: s a: es de sus reacciones características:

eaczlon ae bases fuertes con metales anfóteros. Los metales anfóteros reaccionan con las bases fuertes y forman hidrógeno gaseoso. Observa la ecuación química:

2 Al(s) + 2 NaOH(s) + 6 H20 2 NaAl(OH)4 (ac) + 3 H2 (g) -4-

mi de las L ales de los ni. e tran,.- Cuando [as bases reaccionan con sales de metales de transición que se solubilizan en agua, generan como producto dos sales, una soluble y una insoluble. Observa el ejemplo:

3 Ca (OH)2 + 2 CrCI3 —3.- 2 Cr(OH)3(s) + 3 CaCl2(ac)

Estas reacciones son muy importantes para reconocer la presencia de me-tales de transición en una muestra desconocida, el sólido o precipitado que se forma toma colores que pueden servir para identificarlos o puede ser separado por filtración para realizar otras reacciones, y de esta manera, confirmar la identidad del metal.

*learción de obtención de amoníaco a partir de sales de amonio. Cuando los hidróxidos alcalinos se combinan con sales de amonio, se desprende amoníaco en forma de gas, el cual es muy soluble en agua.

NH4CI (s) + NaOH (ac) NaCI (s) + H20 (I) + NH3 (g)/(ac)

Recordando las definiciones de Bronsted y Lowry, los iones amonio y las moléculas de agua actúan como ácidos, en tanto que los iones hidróxido y las moléculas de amoníaco actúan como bases. Como el agua es un ácido débil la base conjugada que se forma es más fuerte, por lo que la flecha indica una mayor formación de moléculas de amoníaco.

NH4- (ac) + OH (ac) a NH3 (g) + H20 (I)

E – - eco se obtiene en forma industrial a partir del hidrógeno y nitrógeno 'D en una reacción que se produce a altas presiones y bajas tempe-• ::-ocida como proceso Haber. El amoníaco es muy utilizado en la _ _ - de fertilizantes, textiles, tirkes, productos de limpieza, entre otros. ,idos anfóteros con ácidos y bases. Los hidróxidos de ics e7a es anfóteros como aluminio, zinc y cromo reaccionan compor-tánocse ácidos o bases. Observa este comportamiento en las dos siguientes -e a :dones, tomando como ejemplo el hidróxido de aluminio. El hidróxido ce a uminio al comportarse como ácido se disuelve en la solución de una base fuerte.

Al(OH)3(s) + NaOH(ac) NaAl(OH)4

El hidróxido de aluminio al comportarse como base se disuelve en una solución de ácido fuerte y produce una sal y agua.

Al(OH)3(s) + 3 HCI(ac) AlC13(ac) + 3 H20

Anfótero. Sustancia que puede reaccionar como ácido y como base. Precipitado. Sólido insoluble en solución acuosa.

El amoniaco es una base débil utilizada en la elaboración de productos de uso cotidiano.

u

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Actividades

1. Realiza en el laboratorio las siguientes reacciones químicas y completa la tabla que se presenta a continuación:

Reacción química Describe lo observado

Representa la reacción con su ecuación

Magnesio sólido con una solución de ácido clorhídrico Cobre metálico con una solución de ácido clorhídrico Bicarbonato de sodio sólido con una solución de ácido sulfúrico Cloruro de amonio sólido con una solución de hidróxido de sodio

Nota: Las soluciones pueden tener una concentración de alrededor de 1.0 M.

2. Lee el siguiente texto y responde las preguntas.

1244

La presencia de lluvia ácida en diferentes lugares del planeta es un fenómeno muy dañino, causa grandes pérdidas económicas y afectan a un sinnúmero de especies tanto del reino animal como vegetal. La lluvia ácida puede llegar a acidificar ríos, lagos y mares y producir la muerte de la vida vegetal en los bosques. Además el agua arrastra los fertilizantes naturales de la tierra empo-breciendo el suelo. Pero no solo afecta a los seres vivos, sino que corroe las construcciones e infraestructuras, por ejemplo estatuas y monumentos he-chos de mármol o piedra caliza, se deshacen con la lluvia ácida. Adaptación tornada de ~el blogverde.com

a. ¿Qué se conoce como lluvia ácida?

b. Explica, ¿cómo se forma la lluvia ácida?

Efecto de la lluvia ácida sobre las esculturas de mármol.

c. Uno de los peligros de la lluvia ácida es que puede aparecer en zonas donde no se produce gran cantidad de contaminantes. Explica este fenómeno.

d. ¿Qué acciones podemos poner en práctica cada uno de nosotros para prevenir este problema? Sugiere algunas.

Tema 2_ Formación de sales

Destrezas con criterios de desempeño. Reconocer las sales a partir de la definición de sus propiedades y de sus formas de obtención en el laboratorio. (C) Activo mis conocimientos previos. ¿Qué compuesto se obtiene al reaccionar un ácido con una base? Analizo la situación problema La leche es un producto alimenticio natural muy importante para el creci-miento del lactante. Es un producto rico en proteínas como la caseína, vita-minas A y D y minerales como el calcio y fósforo. Su porcentaje de grasa varía entre el 3.5 % y 6.0 %, dependiendo de la raza de las vacas y su alimentación. Además contiene lactosa, la cual se conoce como el "azúcar de la leche". La leche una vez ordeñada debe ser transportada y almacenada para ser pasteurizada, esterilizada o procesada en otros productos de for-ma óptima, caso contrario la lactosa, por acción de bacterias lácticas se fermenta con facilidad, dando origen principalmente al ácido láctico, el cual provoca la coagulación de la leche, ocasionando pérdidas económi-cas en la industria.

Una forma de medir de manera indirecta la calidad de la leche que ingresa a las pasteurizadoras es medir su acidez total a partir de una reacción ácido-base en un proceso de titulación. Esta prueba que se realiza a la leche deter-mina en muchos casos el valor que se paga a los productores por la misma, pues no solo se toma en cuenta el volumen sino su calidad físico-química y sanitaria. A partir de esta situación tú puedes analizar cómo se relacionan diferentes conocimientos y disciplinas en procesos diarios de nuestra vida. La leche es un alimento que llega a nuestro hogar y que ingerimos diariamente. ¿Qué situaciones previas han ocurrido? ¿Quién controla la salud, alimenta-ción y cuidado de las vacas? ¿Qué realiza una industria lechera? ¿Por qué se pasteuriza la leche? ¿Qué otros alimentos que consumimos provienen de la leche? ¿Cómo se producen estos alimentos?

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1,15:1:Z2. , 777: . Al arribo del camión de leche a la pasteurizada se toma una muestra para determinar en el laboratorio la acidez de la leche.

Reflexiono

1. ¿De qué manera la Física y la Química permiten determinar la calidad de la leche?

2. Explica, ¿cómo un proceso biológico como la fermentación en donde intervienen bacterias se relaciona con un proceso químico de producción de ácido?

3. Investiga, ¿qué nivel de acidez es aceptable en la leche y qué sal se forma cuando se determina la acidez de la leche por titulación?

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