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I.E.

CÁRDENAS CENTRO

MÓDULO DE FÍSICA

CICLO IV

GRADO OCTAVO

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TABLA DE CONTENIDO

pág.

PRIMER PERÍODO 1. TEMPERATURA Y CALOR 4 1.1. CALOR Y FRÍO 4 1.2. CONDUCTORES Y AISLANTES 4

SEGUNDO PERÍODO

1. ESCALAS TERMOMETRICAS. APLICACIONES 6 1.1. ESCALA CELSIUS O CENTÍGRADA 7 1.2. ESCALA FAHRENHEIT 7 1.3. ESCALA KELVIN 8

TERCER PERÍODO

1. CONSERVACIÓN DE LA MASA EN FLUIDOS EN MOVIMIENTO 10 1.1. CARACTERÍSTICAS DE LOS FLUIDOS (PRESIÓN, DENSIDAD) 10 1.1.1. Presión 10 1.1.2. Densidad 11 1.2. PRESIÓN HIDROSTÁTICA 13 1.3. PRINCIPIOS DE PASCAL Y ARQUIMEDES 14 1.3.1. Principio de Pascal 14 1.3.2. Principio de Arquímedes 15

CUARTO PERÍODO

1. LOS GASES Y SUS PROPIEDADES 19 1.1. CARACTERÍSTICAS DE LOS GASES 20 1.2. PRESIÓN ATMOSFÉRICA 22 1.3. TENSIÓN SUPERFICIAL 23 EVALUACIÓN DE COMPETENCIAS 26 BIBLIOGRAFÍA 28

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PRIMER PERÍODO

1. TEMPERATURA Y CALOR

Todos sabemos que cuando calentamos un objeto su temperatura aumenta. A menudo pensamos que calor y temperatura son lo mismo. Sin embargo este no es el caso. El calor y la temperatura están relacionadas entre sí, pero son conceptos diferentes.

El calor es la energía total del movimiento molecular en una sustancia, mientras temperatura es una medida de la energía molecular media. El calor depende de la velocidad de las partículas, su número, su tamaño y su tipo. La temperatura no depende del tamaño, del número o del tipo. Por ejemplo, la temperatura de un vaso pequeño de agua puede ser la misma que la temperatura de un cubo de agua, pero el cubo tiene más calor porque tiene más agua y por lo tanto más energía térmica total.

1.1. CALOR Y FRÍO

Los cuerpos no contienen calor ni frío. Pero todos los cuerpos tienen temperatura. Cuando un cuerpo está frío, es que su temperatura es baja. Cuando está caliente, es que su temperatura es elevada. ¿Qué ocurre si en un vaso con agua a 15 º C introducimos un huevo cocido que está a 80ºC?. Lógicamente, el huevo se enfría y el agua se calienta. Al cabo de un rato, el huevo y el agua tienen la misma temperatura: decimos que han alcanzado el equilibrio térmico . El huevo ha perdido energía, y el agua ha recibido energía. Siempre que ponemos en contacto un cuerpo caliente y uno frío, pasa energía desde el caliente al frío. Este paso de energía se llama calor. 1.2. CONDUCTORES Y AISLANTES

Cuando un cuerpo neutro es electrizado, sus cargas eléctricas, bajo la acción de las fuerzas correspondientes, se redistribuyen hasta alcanzar una situación de equilibrio. Algunos cuerpos, sin embargo, ponen muchas dificultades a este movimiento de las cargas eléctricas por su interior y sólo permanece cargado el lugar en donde se depositó la carga

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neta. Otros, por el contrario, facilitan tal redistribución de modo que la electricidad afecta finalmente a todo el cuerpo. Los primeros se denominan aislantes y los segundos conductores. Esta diferencia de comportamiento de las sustancias respecto del desplazamiento de las cargas en su interior depende de su naturaleza íntima. Así, los átomos de las sustancias conductoras poseen electrones externos muy débilmente ligados al núcleo en un estado de semilibertad que les otorga una gran movilidad, tal es el caso de los metales. En las sustancias aislantes, sin embargo, los núcleos atómicos retienen con fuerza todos sus electrones, lo que hace que su movilidad sea escasa. Entre los buenos conductores y los aisladores existe una gran variedad de situaciones intermedias. Es de destacar entre ellas la de los

materiales semiconductores por su importancia en la fabricación de dispositivos electrónicos que son la base de la actual revolución tecnológica. En condiciones ordinarias se comportan como malos conductores, pero desde un punto de vista físico su interés radica en que se pueden alterar sus propiedades conductoras con cierta facilidad mejorando prodigiosamente su conductividad, ya sea mediante pequeños cambios en su composición, ya sea sometiéndolos a condiciones especiales, como elevada temperatura o intensa iluminación. A temperaturas cercanas al cero absoluto, ciertos metales adquieren una conductividad infinita, es decir, la resistencia al flujo de cargas se hace cero. Se trata de los superconductores. Una vez que se establece una corriente eléctrica en un superconductor, los electrones fluyen por tiempo indefinido.

ACTIVIDAD…… EXPERIMENTOS SUGERIDOS POR EL DOCENTE DEL ÁREA

RESUELVE…… 1. ¿Qué energía térmica es mayor: la de una piscina con agua a 20 ºC o la de un vaso de agua a 25 ºC? a) La de la piscina. b) La del vaso de agua. c) Ambas por igual. d) No contienen energía térmica, sino calor. 2. ¿Qué energía térmica media es mayor: la de una p iscina con agua a 20ºC o la de un vaso de agua a 25ºC? a) La de la piscina. b) La del vaso de agua. c) Ambas por igual. d) Todas las partículas tienen la misma energía. 3. Completa la siguiente frase: Cuando se calienta un gas a) Aumenta su temperatura, pero no su energía térmica. b) Aumenta su energía térmica, pero no su temperatura. c) Aumentan tanto la temperatura como la energía térmica. d) El producto de su energía térmica por su temperatura se mantiene constante.

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SEGUNDO PERÍODO

1. ESCALAS TERMOMETRICAS. APLICACIONES

Existen varias escalas termométricas para medir temperaturas, relativas y absolutas.

A partir de la sensación fisiológica, es posible hacerse una idea aproximada de la temperatura a la que se encuentra un objeto. Pero esa apreciación directa está limitada por diferentes factores; así el intervalo de temperaturas a lo largo del cual esto es posible es pequeño; además, para una misma temperatura la sensación correspondiente puede variar según se haya estado previamente en contacto con otros cuerpos más calientes o más fríos y, por si fuera poco, no es posible expresar con precisión en forma de cantidad los resultados de este tipo de apreciaciones subjetivas. Por ello para medir temperaturas se recurre a los termómetros.

En todo cuerpo material la variación de la temperatura va acompañada de la correspondiente variación de otras propiedades medibles, de modo que a cada valor de aquella le corresponde un solo valor de ésta. Tal es el caso de la longitud de una varilla metálica, de la resistencia eléctrica de un metal, de la presión de un gas, del volumen de un líquido, etc. Estas magnitudes cuya variación está ligada a la de la temperatura se denominan propiedades termométricas, porque pueden ser empleadas en la

construcción de termómetros.

Para definir una escala de temperaturas es necesario elegir una propiedad termométrica que reúna las siguientes condiciones:

1. La expresión matemática de la relación entre la propiedad y la temperatura debe ser conocida.

2. La propiedad termométrica debe ser lo bastante sensible a las variaciones de temperatura como para poder detectar, con una precisión aceptable, pequeños cambios térmicos.

3. El rango de temperatura accesible debe ser suficientemente grande.

Una vez que la propiedad termométrica ha sido elegida, la elaboración de una escala termométrica o de temperaturas lleva consigo, al menos, dos operaciones; por una parte, la determinación de los puntos fijos o temperaturas de referencia que permanecen constantes en la naturaleza y, por otra, la división del intervalo de temperaturas correspondiente a tales puntos fijos en unidades o grados.

Lo que se necesita para construir un termómetro, son puntos fijos, es decir procesos en los cuales la temperatura permanece constante. Ejemplos de procesos de este tipo son el proceso de ebullición y el proceso de fusión.

Existen varias escalas para medir temperaturas, las más importantes son la escala Celsius, la escala Kelvin y la escala Fahrenheit.

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1.1. ESCALA CELSIUS O CENTÍGRADA

El científico sueco Anders Celsius (1701-1744) construyó por primera vez la escala termométrica que lleva su nombre. Eligió como puntos fijos el de fusión del hielo y el de ebullición del agua, tras advertir que las temperaturas a las que se verificaban tales cambios de estado eran constantes a la presión atmosférica. Asignó al primero el valor 0 y al segundo el valor 100, con lo cual fijó el valor del grado Celsius (°C) como la centésima parte del intervalo de temperatura comprendido entre esos dos puntos fijos.

Para esta escala, estos valores se escriben como 100 °C y 0 °C y se leen 100 grados celsius y 0 grados celsius, respectivamente.

1.2. ESCALA FAHRENHEIT En 1717 Fahrenheit, un germano-holandés (nació en Dancing y emigró a Amsterdam), fabricante de instrumentos técnicos, construyó e introdujo el termómetro de mercurio con bulbo (usado todavía hoy) y tomó como puntos fijos:

• el de congelación de una disolución saturada de sal común en agua, que es la temperatura más baja que se podía obtener en un laboratorio, mezclando hielo o nieve y sal.

• y la temperatura del cuerpo humano - una referencia demasiado ligada a la condición del hombre- .

Dividió la distancia que recorría el mercurio en el capilar entre estos dos estados en 96 partes iguales.

Newton había sugerido 12 partes iguales entre la congelación del agua y la temperatura del cuerpo humano. El número 96 viene de la escala de 12 grados, usada en Italia en el S. XVII (12*8=96).

Aunque la temperatura de la mejor proporción de hielo y sal es alrededor de -20 ºC Fahrenheit, finalmente, ajustó la escala para que el punto de congelación del agua (0 ºC en la escala Celsius) fuera de 32 ºF y la temperatura de ebullición del agua de 212 ºF.

La escala Fahrenheit, que se usa todavía en los países anglosajones, no tenía valores negativos (no se podían lograr en esa época temperaturas por debajo de cero grados) y era bastante precisa por la dilatación casi uniforme del mercurio en ese intervalo de temperaturas.

En la Inglaterra victoriana de Guillermo Brown una fiebre que provocara 100 grados de temperatura libraba al niño de ir a clase ese día.

Con este termómetro de precisión Farenheit consiguió medir la variación de la temperatura de ebullición del agua con la presión del aire ambiente y comprobó que todos los líquidos tiene un punto de ebullición característico.

1.3. ESCALA KELVIN

que la teoría cinética atribuye a la magnitud temperatura, no tiene sentido haél. El cero absoluto constituye un límite inferior natural de temperaturas, lo que hace que en la escala Kelvin no existan temperaturas bajo cero (negativas). La relación con la escala Celsius viene dada por la ecuación:

T(K) = t(°C) + 273,15 ó t(°C) = T(K)

T(K) = (5/9) * [t(°F) + 459,67] ó t(°F) = (9/5) * T (K)

Siendo T(K) la temperatura expresada en kelvins.

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Si bien en la vida diaria las escalas Celsius y Fahrenheit son las más importantes, en ámbito científico se usa"absoluta" o Kelvin, en honor a sir Lord Kelvin

En la escala absoluta, al 0 °C le hace corresponder 273,15mientras que los 100 °C se corresponden con 373,15 K. Se ve inmediatamente que 0 K está a una temperatura que un termómetro centígrado señalará como temperatura se denomina "cero absoluto

Se puede notar que las escalas Celsius y Kelvin poseen la misma sensibilidad. Por otra parte, esta última escala considera como punto de referencia el punto triple del agua que, bajo cierta presión, equivale a 0.01 °C.

La escala de temperaturas adoptada por elde Unidades es la llamada escala absoluta o Kelvin. En ella el tamaño de los grados es el mismo que en la Celsius, pero el cero de la escala se fija en el - 273,15 °C. Este punto llamadoabsoluto de temperaturas es tal que a dicha temperatura desaparece la agitación molecular, por lo que, según el significado

que la teoría cinética atribuye a la magnitud temperatura, no tiene sentido haél. El cero absoluto constituye un límite inferior natural de temperaturas, lo que hace que en la escala Kelvin no existan temperaturas bajo cero (negativas). La relación con la escala Celsius viene dada por la

t(°C) + 273,15 ó t(°C) = T(K) - 273,15

T(K) = (5/9) * [t(°F) + 459,67] ó t(°F) = (9/5) * T (K) - 459,67

iendo T(K) la temperatura expresada en kelvins.

Si bien en la vida diaria las escalas Celsius y Fahrenheit son las más importantes, en ámbito científico se usa otra, llamada

Lord Kelvin.

°C le hace corresponder 273,15 K, °C se corresponden con 373,15 K. Se ve

inmediatamente que 0 K está a una temperatura que un termómetro centígrado señalará como -273,15 °C. Dicha

cero absoluto".

Se puede notar que las escalas Celsius y Kelvin poseen la misma sensibilidad. Por otra parte, esta última escala considera como

el agua que, bajo cierta presión,

La escala de temperaturas adoptada por el Sistema Internacional es la llamada escala absoluta o Kelvin. En ella el

tamaño de los grados es el mismo que en la Celsius, pero el cero 273,15 °C. Este punto llamado cero es tal que a dicha temperatura

desaparece la agitación molecular, por lo que, según el significado que la teoría cinética atribuye a la magnitud temperatura, no tiene sentido hablar de valores inferiores a él. El cero absoluto constituye un límite inferior natural de temperaturas, lo que hace que en la escala Kelvin no existan temperaturas bajo cero (negativas). La relación con la escala Celsius viene dada por la

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RESUELVA…… 1. Si la temperatura interior de un automóvil con sistema de aire acondicionado es de 10ºC. Cuál será su temperatura en la escala Fahrenheit? 2. La temperatura de fusión del Bromo es de 19ºF y la de de ebullición 140ºF. Expresar estas temperaturas en grados Celsius. 3. La temperatura normal de cuerpo humano es de casi 37ºC. Expresa esta temperatura en la escala Kelvin. 4. Efectuar las siguientes conversiones:

a) Expresar 300K, 760K y 180K en ºC. b) Expresar 0K, 273K en ºF. c) Expresar 14ºF en ºC y en K. d) Expresar 50ºF, 200ºF en K.

5. Transforme 50ºC en grados Fahrenheit. 6. Transforme 20ºC en grados Fahrenheit. 7. Transforme según la ecuación de conversión: a) 15ºC a ºF y b) 10ºF a ºC. 8. La temperatura en un salón es 24ºC. ¿Cuál será la lectura en la escala Fahrenheit?. 9. Un médico inglés mide la temperatura de un paciente y obtiene 106ºF. ¿Cuál será la lectura en la escala Celsius?.

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TERCER PERÍODO

1. CONSERVACIÓN DE LA MASA EN FLUIDOS EN MOVIMIENTO La energía mecánica total que posee un fluido en movimiento se compone de energía cinética y de energía potencial. La energía potencial a su vez se compone de energías de presión y posición. Debido a la presión "p" existente en un punto, la masa del fluido de peso específico � podría ascender hasta una altura p/� sobre ese punto, si tuviera libertad para hacerlo.

El flujo en la figura se da de izquierda a derecha desde la sección 1 hasta la 2. En ambas secciones, si el flujo tuviera libertad, ascendería hasta una altura igual a (z + p/�) con respecto al plano de referencia. La línea definida por esta altura se llama "línea de presión" o "línea piezométrica".

Una masa "m" de fluido, de peso "w", que se mueve en un conducto posee una energía potencial, Ep, con respecto al plano de referencia que se expresa como:

Ep = w.( z + p/�)

1.1. CARACTERÍSTICAS DE LOS FLUIDOS (PRESIÓN, DENSI DAD) 1.1.1. Presión. Un sólido al entrar en contacto con otro ejerce una fuerza en su superficie tratando de penetrarlo. El efecto deformador de esa fuerza o la capacidad de penetración depende de la intensidad

de la fuerza y del área de contacto. La presión es la magnitud que mide esa capacidad. F

PS

= . Su

unidad en el Sistema Internacional es el Pascal (Pa=1 N / m2). Es la unidad de presión que debes usar en Física, pero, como oirás expresar la presión en otras unidades, vamos a darte sus equivalencias.

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En la industria se usa el kp/cm2. Cuando alguien dice que la presión de un neumático es de "2 kilos" se está refiriendo a esta unidad, el kp/cm2, (kp/cm2 = 98000 Pa). La presión atmosférica se mide en atmósferas y mm Hg. 1 atm = 760 mm Hg 1 atm =101300 Pa. Otra unidad son los bar; 1 bar (b) = 1.000 mb 1 bar (b) = 100.000 Pa. En Meteorología se usa el milibar o hPa (1 mb = 100 Pa). Una presión de 1 atm equivale a 1013 mb (recuerda los mapas del tiempo). Las borrascas tienen valores inferiores a ésa y los anticiclones mayores. A efectos de exactitud, cuando medimos la presión de los neumáticos, una presión de 2 kp/cm2 equivalen “casi" a 2 bar. Una fuerza externa aplicada a una pared móvil de un recipiente que contiene un fluido crea una presión que lo comprime. La fuerza repartida sobre la superficie de la pared móvil da el valor de la presión (P = F/S). El volumen que ocupa el fluido disminuye al aumentar la presión. La compresibilidad es casi nula en los líquidos. Aún sin fuerza externa, el peso del líquido ejercerá una presión hidrostática sobre sus capas inferiores. Esta presión engendra una fuerza que actúa desde el interior del líquido hacia fuera y perpendicularmente a todas las paredes del recipiente. F P S= i .

EXPERIENCIA…… Acomodamos una chapa ligera al extremo inferior de un tubo abierto por sus dos extremos y la fijamos por medio de un hilo, que sujetamos con una mano por el otro extremo del tubo. Si soltamos el hilo cuando el tubo está vertical y en el aire, la chapa se cae; pero si lo soltamos una vez que hemos introducido el tubo en un recipiente con agua, la presión hidrostática origina una fuerza sobre el fondo de la chapa y hacia arriba que impide que se caiga. Esta experiencia muestra como la presión dentro de un líquido crea una fuerza sobre la superficie de los objetos situados en su interior. 1.1.2. Densidad. La densidad es una propiedad característica de cada sustancia y da idea de lo pesado de los átomos que la forman y de lo juntos que están: una misma masa de distintas sustancias ocupa distinto volumen.

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Si algunas sustancias ordenaran sus átomos como A y B, y los átomos de B fueran tres veces más pesados que los de A, aún así sería más densa la sustancia A. La unidad de densidad en el S.I. es el kg/m3. 1 g/cm3 = 1000 kg/m3.

EJERCICIOS…… Presentar con el proceso de conversión. 1) Halla el valor en Pascales de las siguientes unidades de presión: a) 13 kp/cm2 ; b) 73 cm Hg; c) 1200 mb 2) Escribe los factores de transformación que se deducen de la equivalencia siguiente: 1 Pa = 101.300mb 3) Un hombre de 70 kg de masa está parado y apoyado en sus dos pies. La superficie de apoyo de cada zapato es de 200 cm2 . ¿Cuál será la presión, expresada en Pascales, ejercida sobre el suelo?. Dato: g = 9,81 m/s2 4) Una aguja hipodérmica de sección 0,01 mm2 se clava en la piel con una fuerza de 50 N. ¿Cuál es presión ejercida? 5) Sobre un émbolo de sección 3 cm2 que se mueve dentro de un pistón se coloca una masa de 20 kg. ¿Qué presión ejerce en el fluido del interior del pistón?

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1.2. PRESIÓN HIDROSTÁTICA Principio fundamental. La Hidrostática trata de los líquidos en reposo. Un líquido encerrado en un recipiente crea una presión en su seno y ejerce una fuerza sobre las paredes que lo contienen.

La fórmula se calcula partiendo del peso de una columna imaginaria sobre su fondo y la presión en ese punto. Se generaliza al resto del líquido.

P d g h= i i

Los fluidos (líquidos y gases) ejercen también una presión, P = d∙g∙h, sobre cualquier cuerpo sumergido en ellos. La presión será tanto mayor cuanto más denso sea el fluido y mayor la profundidad. Todos los puntos situados a la misma profundidad tienen la misma presión. Se puede comprobar que la presión hidrostática aumenta al descender dentro de un líquido viendo que la velocidad con la que sale el líquido es mayor cuanto más abajo esté el agujero efectuado en la pared lateral del recipiente. La presión sobre las paredes aumenta hacia abajo y por tanto también lo hace la fuerza sobre las mismas. Si perforamos agujeros a distintas profundidades, la velocidad de salida se hace mayor al aumentar la profundidad. Vasos Comunicantes. Dos o más vasos comunicados por su base se llaman vasos comunicantes. Si se vierte un líquido en uno de ellos, se distribuirá de tal modo que el nivel del líquido en todos los recipientes es el mismo, independientemente de su forma y sus capacidades. Éste es el llamado Principio de los vasos comunicantes.

Este principio es una consecuencia de la ecuación fundamental de la Hidrostática: Los puntos que están a la misma profundidad tienen la misma presión hidrostática y, para que eso ocurra, todas las columnas líquidas que están encima de ellos deben tener la misma altura. Parece "de sentido común" pensar que el recipiente que contiene más agua, y que por tanto tiene mayor peso, el que tiene paredes que convergen hacia el fondo, soporta mayor presión, pero no es así: la Física lo demuestra y la experiencia lo confirma. ¡La Física no se guía por el llamado sentido común!. Las conclusiones a las que llegamos por el “sentido común” proceden de razonamientos que tienen sus fuentes de

información en lo que observamos con los sentidos y éstos a menudo nos engañan.

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EJERCICIOS…… 1) Calcula la presión que soporta un submarino que navega a 150 m de profundidad si la densidad del agua es 1030 kg/ m3 2) Calcula la fuerza que ejerce el agua sobre los cristales de las gafas, de superficie 40 cm2, de un submarinista que bucea a 17 m de profundidad si la densidad del agua es 1,02 g/cc. 3) Calcula la presión media sobre las compuertas de un embalse si el agua en ellas tiene una profundidad de 40 m. Nota: Recuerda que la presión arriba es cero y abajo es la máxima. El embalse contiene agua dulce: densidad = 1000 kg/m3. . 1.3. PRINCIPIOS DE PASCAL Y ARQUIMEDES 1.3.1. Principio de Pascal. Blaise Pascal, matemático, físico y filósofo francés del siglo XVII enunció el siguiente principio:

Si ejerces una fuerza F exterior sobre un émbolo de sección S, se origina una presión (p = F / S) en toda la masa líquida. La presión es una magnitud escalar, no tiene dirección definida, pero la fuerza interior que origina es un vector perpendicular a la superficie sobre la que actúa. Por lo tanto dentro de una esfera es perpendicular, en cada punto, a la superficie interior. El chorro de líquido no sale con más fuerza por el agujero inferior, como podía pensarse al empujar la fuerza externa del émbolo en esa dirección, sino que sale por todos los orificios con igual velocidad. Aplicación del Principio de Pascal: Prensa hidráuli ca El "gato hidráulico" empleado para elevar coches en los talleres es una prensa hidráulica. Es un depósito con dos émbolos de distintas secciones S1 y S2 conectados a él. La presión ejercida por el émbolo al presionar en la superficie del líquido se transmite íntegramente a todo el líquido. La presión es la misma en los puntos próximos a los dos émbolos. P1 = P2.

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La fuerza F1 aplicada en el émbolo pequeño se amplifica en un factor amplificador K tal que: F2 en el

émbolo grande es 1K Fi . Además de amplificar el valor de F1 cambia su dirección de utilización, pues F2

estará donde conectemos al depósito el segundo émbolo. Aplicación del P. Pascal: Frenos hidráulicos

Los frenos hidráulicos son una aplicación del principio de Pascal. Al pisar el freno ejercemos una fuerza con el pie en el pedal que la transmite a un émbolo de sección pequeña que se mueve dentro de un pistón. Esa fuerza crea una presión en el interior del líquido de frenos. El fluido transmite la presión casi instantáneamente en todas direcciones. Al tener colocado otro pistón con su émbolo en el otro extremo del circuito hidráulico y, según la relación entre las secciones de los émbolos, la fuerza aplicada será amplificada en ese punto. El sistema hidráulico cambia también la dirección y el sentido de la fuerza aplicada.

EJERCICIOS…… 1) Una prensa hidráulica tiene dos émbolos de 50 cm2 y 250 cm2. Se coloca sobre el émbolo pequeño una masa de 100 kg. a) ¿Qué fuerza se ejercerá sobre el mayor? b) ¿Cuánto vale el factor amplificador de la prensa? 2) Los émbolos de una prensa hidráulica tienen una superficie de 40 cm2 y 160 cm2. Si se comprime 4 cm el émbolo pequeño ¿qué distancia subirá el émbolo mayor? 1.3.2. Principio de Arquímedes. Arquímedes descubrió que el empuje es el peso del fluido desalojado. El rey quería saber, sin destruir la corona fundiéndola, si el orfebre había empleado todo el oro que le diera para hacerla o por el contrario lo había mezclado con plata. Consultó con Arquímedes y éste, estando en los baños cavilando sobre ello, pensó que la misma masa de dos sustancias distintas no ocupan igual volumen y que seguramente, al meterlas en agua, la más voluminosa soporta un empuje mayor. Y salió a la calle desnudo y gritando ¡Eureka¡. Enunciado del Principio:

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Razonamiento matemático para el cálculo del empuje:

Origen del empuje: Arquímedes nunca escribió las justificaciones matemáticas con que la física explica hoy su principio. Las caras superior e inferior del cuerpo están sumergidas a distinta profundidad y sometidas a distintas presiones hidrostáticas p1 y p2. Ambas caras tienen la misma superficie, S, pero están sometidas a fuerzas distintas F1 y F2 y de distinto sentido.

Equilibrio de los sólidos sumergidos: Al introducir un cuerpo en un fluido se produce el estado de equilibrio cuando el empuje iguala al peso. Según sean las densidades del cuerpo y del fluido en el que se sumerge se pueden originar los siguientes casos: • Si dc > df , el peso es mayor que el empuje máximo - que se produce

cuando todo el cuerpo está sumergido -. El cuerpo se va al fondo. No produce equilibrio.

• Si dc = df , el peso es igual al empuje máximo. El cuerpo queda sumergido y en equilibrio entre dos aguas.

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• Si dc < df , el peso del cuerpo es menor que el empuje máximo y no se sumerge todo el cuerpo. Sólo permanece sumergida la parte de él que provoca un empuje igual a su peso. Este estado de equilibrio se llama flotación.

Aplicaciones: barcos, globos, etc.

Los barcos flotan porque desplazan un peso de agua que es igual al peso del propio barco. Para que exista equilibrio y no oscilen, además de la igualdad entre el peso del cuerpo y el empuje, se requiere que el centro de gravedad del cuerpo y de la parte sumergida permanezcan sobre la misma vertical. Si el peso y el empuje no están en la dirección vertical se origina un par de fuerzas. La ascensión de un globo se produce porque la densidad interior es menor que la del aire y el peso del aire desalojado es mayor que la suma del peso del gas interior, la cesta, el lastre y las cuerdas. Comparando cuánto se hunde un mismo cuerpo en distintos líquidos se puede hallar la densidad de uno relativa al otro, lo que permite construir unos instrumentos de

medida llamados densímetros de flotación. Llevan un lastre de plomo para que se hundan en el líquido y una escala en la que, según hasta donde se hunda, indica la densidad del líquido en el que se sumergen.

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PRACTIQUEMOS…… Demuestra los procesos. 1. Expresa en atmósferas y en Pascales una presión de 1000 mb. 2. ¿Qué presión ejerce sobre el suelo un bloque de masa 500 kg que mide 6x4x2 m cuando se apoya en su cara de 4x2m? 3. Un recipiente cilíndrico lleno de agua tiene una espita de salida de sección 2 cm2 a 2 m de la superficie. Calcula la fuerza que soporta. Nota. Densidad del agua 1000 kg/m3. 4. Expresa en unidades del S.I la densidad de 2,5 g/cm3. 5. ¿Qué presión soporta un submarinista sumergido en agua dulce a 35 m de profundidad?. 6. Una botella se encuentra hundida en agua dulce a 24 m de profundidad. Halla la fuerza sobre su tapón de 1,5 cm2. 7. En un émbolo de 5 cm2 de una prensa hidráulica se ejerce una fuerza de 40 N. ¿Qué fuerza resultará en el émbolo de 100 cm2?. 8. Un cuerpo de masa 200 kg flota en agua dulce. ¿Qué volumen de agua desaloja para mantenerse a flote?. ¿Cuánto vale el empuje?. 9. ¿Cuál es el peso aparente dentro del agua de un cuerpo de 300 g y volumen 50 cm3? 10. ¿Qué % de su volumen sumerge un cuerpo de masa 80g y volumen 100 cm3 cuando flota en agua dulce?.

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CUARTO PERÍODO

1. LOS GASES Y SUS PROPIEDADES El estado gaseoso es un estado disperso de la materia, es decir, que las moléculas del gas están separadas unas de otras por distancias mucho mayores del tamaño del diámetro real de las moléculas. Resulta entonces, que el volumen ocupado por el gas(V) depende de la presión (P), la temperatura (T) y de la cantidad o numero de moles ( n).

Las propiedades de la materia en estado gaseoso son:

1. Se adaptan a la forma y el volumen del recipiente que los contiene. Un gas, al cambiar de recipiente, se expande o se comprime, de manera que ocupa todo el volumen y toma la forma de su nuevo recipiente.

2. Se dejan comprimir fácilmente. Al existir espacios intermoleculares, las moléculas se pueden acercar unas a otras reduciendo su volumen, cuando aplicamos una presión.

3. Se difunden fácilmente. Al no existir fuerza de atracción intermolecular entre sus partículas, los gases se esparcen en forma espontánea.

4. Se dilatan, la energía cinética promedio de sus moléculas es directamente proporcional a la temperatura aplicada.

Variables que afectan el comportamiento de los gase s

PRESIÓN. Es la fuerza ejercida por unidad de área. En los gases esta fuerza actúa en forma uniforme sobre todas las partes del recipiente.

La presión determina la dirección de flujo del gas. Se puede expresar en atmósferas (atm), milímetros de mercurio (mmHg), pascales (Pa) o kilopascales (kpa). 1 atm = 760 mmHg.

La presión atmosférica es la fuerza ejercida por la atmósfera sobre los cuerpos que están en la superficie terrestre. Se origina del peso del aire que la forma. Mientras más alto se halle un cuerpo menos aire hay por encima de él, por consiguiente la presión sobre él será menor.

TEMPERATURA. Es una medida de la intensidad del calor, y el calor a su vez es una forma de energía que podemos medir en unidades de calorías. Cuando un cuerpo caliente se coloca en contacto con uno frío, el calor fluye del cuerpo caliente al cuerpo frío.

La temperatura de un gas es proporcional a la energía cinética media de las moléculas del gas. A mayor energía cinética mayor temperatura y viceversa.

La temperatura de los gases se expresa en grados kelvin.

CANTIDAD. La cantidad de un gas se puede medir en unidades de masa, usualmente en gramos. De acuerdo con el sistema de unidades SI, la cantidad también se expresa mediante el número de moles de sustancia, esta puede calcularse dividiendo el peso del gas por su peso molecular.

Recipentes de gas.

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VOLUMEN. Es el espacio ocupado por un cuerpo. Está dado por el volumen del recipiente que lo contiene. Se expresa en m3, cm3, litros o mililitros.

DENSIDAD. Es la relación que se establece entre el peso molecular en gramos de un gas y su volumen molar en litros.

EJERCICIOS…… 1- Calcula la PRESIÓN que ejerce sobre el suelo de hielo, una persona de 70 Kg, si la superficie de las suelas de sus zapatos es de 260 cm2. ¿Y si se coloca unos esquíes de superficie 3000 cm2? (Tómese g=10 N/Kg). 2.- Un gas ejerce sobre las paredes de un recipiente una presión de 0,75 atm. Pasa esa presión a la unidad del sistema SI. 3.- En un punto de la superficie terrestre la Presión atmosférica resulta ser de 750 mb. ¿cuál es la presión en atm y en Pa?. 4.- La presión de un gas en un recipiente, resulta ser de 76.420 Pa ¿cuál es la presión en atmósferas? 5.- Una determinada cantidad de gas que ocupa un recipiente de 2,5 L y ejerce una presión sobre las paredes del mismo de 3,2 atm ¿qué presión ejercerá si el volumen lo reducimos a 1,2 L manteniendo constante la temperatura? ¿y si lo aumentamos a 4,6 L? 1.1. CARACTERÍSTICAS DE LOS GASES Comprensión. Tomando como referencia el tamaño de las partículas de un gas, existe una gran distancia de espacio vació entre ellas, lo que hace posible su comprensión o compresibilidad, es decir, la reducción o disminución de los espacios vacíos entre sus moléculas; lo cual se logra aumentando la presión

y/o disminuyendo la temperatura.

Expansión. Cuando se calienta una muestra de gas, aumenta la velocidad promedio de sus partículas, las cuales se mueven en un espacio mayor, dando como resultado que todo el gas aumenta su volumen se han expandido.

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Ejercen presión sobre el recipiente que los contien en. Al estar en continuo movimiento, las partículas de un gas chocan contra las paredes del recipiente que los contiene, ejerciendo presión sobre ellas.

Difusión. Cuando dos gases entran en contacto, se mezclan hasta quedar uniformemente repartidas las partículas de uno en otro, esto es posible por el gran espacio existente entre sus partículas y por el continuo movimiento de estas.

EXPERIMENTO…… TEMA: COMPRESIÓN Y EXPANSIÓN

MATERIAL

• 1 Lata de aluminio • 1 Soporte universal • 1 aro con rejilla de asbesto • 1 Mechero de bunsen • 1 pinzas • 1 cristalizador • Agua con hielo

PROCEDIMIENTO

Se calienta una pequeña cantidad de agua en una lata de aluminio hasta llevarla a ebullición, como muestra la figura.

En un cristalizador se agrega agua fría.

Una vez que la lata presente vapores por la ebullición del agua, se introduce rápidamente boca abajo en el cristalizador.

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Se observa que la lata se deforma violentamente, como lo muestran las figuras.

Predice, observa y explica lo que acabas de ver en el experimento!!!

1.2. PRESIÓN ATMOSFÉRICA Atmósfera: características. • La atmósfera es la capa gaseosa que rodea la Tierra. • Tiene un espesor de aproximadamente 100 km que, frente a los 6.400 km del radio de la Tierra o frente a las inimaginables distancias cósmicas, nos da una idea de lo frágil que es la capa que sustenta la vida. ¡Cuidémosla! • Contiene gases en continua agitación y movimiento que determinan el clima. El peso de los gases origina la presión ( )gasesP d g h= i i .

• Su elemento más abundante es el nitrógeno (gas muy inerte) seguido del oxidante oxígeno (21%) que nos permite respirar; el ozono nos protege de los rayos ultravioleta. Muchos meteoritos arden totalmente en ella. También contiene partículas sólidas en suspensión. • Su composición y la proporción de sus gases se mantuvo constante durante milenios.

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Aunque la atmosfera llega hasta los 100 km, por encima de 10 km no hay prácticamente aire (el 75% de los gases de la atmosfera se encuentra en estos 10 primeros km que corresponden a la troposfera). La concentración del aire varía con la temperatura y por eso el peso del aire sobre un punto de la Tierra no es el mismo todos los días: la presión atmosférica, en un mismo lugar de la Tierra, no tiene un valor constante. Las diferencias de presiones entre lugares diferentes de la Tierra, originadas por diferente calentamiento, etc. dan lugar a los vientos. Estas diferencias de presión originan desplazamientos verticales y horizontales combinados de los gases atmosféricos que, junto con la orografía y características del suelo, hacen difícil predecir la evolución y los pronósticos climáticos. 1.3. TENSIÓN SUPERFICIAL En primer lugar, es importante saber que la tensión superficial es también llamada tensión de superficie o energía de interfaz o bien todavía energía de superficie. Es una fuerza que existe al nivel de toda interfaz entre dos medios diferentes (entre un sólido o un líquido y un gas). La tensión entre medios idénticos: dos sólidos, dos líquidos, o también entre un líquido y un sólido es generalmente llamado: la tensión interfacial.

La tensión superficial permite a la gota de agua el no extenderse sobre una hoja, o a ciertos insectos marchar sobre el agua, o bien todavía la tensión superficial permite esta forma abombada del agua en un vaso colmado con la noción de capilaridad.

Tensión superficial: las fuerzas intermoleculares. Las moléculas de un fluido (líquido o gas) ejercen, entre ellas, fuerzas de atracción o de repulsión (como para la fuerza electrostática). Hay que suponer que un cuerpo líquido puro es constado por un solo tipo de moléculas. Es muy evidente que estas moléculas ejerzan entre ellas una fuerza de atracción porque de otro modo no formarían un solo y único líquido (una sola fase).

Tensión superficial: ejemplo del agua

Las tensiones de superficie no son siempre fáciles de comprender. Para ser simple, tomaremos el ejemplo del agua, siempre tomada en referencia porque es simple de empleo con una energía molecular muy elevada (la más elevada después del mercurio).

Las moléculas de agua son atraídas entre ellas por la energía molecular y las

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moléculas periféricas lo están pues solamente en dirección del interior, lo que en algunos casos forman una gota de agua (la esfera que es la forma de superficie más pequeña posible).

Si se coloca esta gota redonda en un soporte a escasa energía de superficie, las fuerzas de atracciones internas de la gota serán preponderantes y la gota tendrá un mínimo de contacto con el material (ej. película plástica). Si al contrario, el material (ej. vidrio) desarrolla una energía molecular de superficie que se acerca a la del agua, esta energía tenderá a contrapesar las fuerzas dentro de la gota y ésta tenderá a aumentar su superficie interfacial con el material, llanura de la gota, absorbencia.

Si en vez de utilizar agua, se utiliza un líquido mucho más escaso en energía (ej. hidrocarburo, alcohol...) sobre una película plástica, aunque de escasa energía, pero suficiente, esta película causará por atracción interfacial el escalonamiento de la gota de alcohol (el material conseguirá ser preponderante sobre las fuerzas internas en la gota de alcohol, esta gota se extenderá aún mejor sobre el vidrio húmedo al agua, por lo tanto de energía aún más elevada que el plástico)...

Tensión superficial: interfaz líquido y gas

El gas ejerce una presión sobre el líquido porque sus moléculas (del gas) ejercen una atracción o una repulsión sobre las moléculas en la superficie del líquido. Pero es muy pequeño porque el gas tiene una densidad muy débil con relación al líquido.

Podemos, pues, decir que la presión del gas, la atracción por el interior del líquido, y el peso directamente influyen en la forma de la superficie del líquido. La pompa de jabón es al principio un pellejo líquido sometido a la presión del gas a los dos lados del pellejo y este líquido debe tener fuerzas de atracción suficiente fuertes para no estallar.

Tensión superficial: interfaz líquido y líquido

En una interfaz líquido / líquido, hablamos de líquidos miscibles o de líquidos no miscibles. Si dos líquidos son miscibles se mezclan para formar sólo una fase, si son no miscibles formarán dos fases muy distintas como el aceite y el agua por ejemplo.

Las moléculas de líquidos no miscibles sufren de dos fuerzas: una atracción al interior " de ellas mismas " y una repulsión con relación a las moléculas del otro líquido. La forma de la interfaz líquido / líquido es engendrada, pues, por las fuerzas de atracción intra-líquida, la fuerza de repulsión interlíquida y, desde luego, la gravedad.

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Unidad de medida de la tensión superficial

La unidad de medida de la tensión superficial es el newton por metro (N.m-1) que es equivalente a los julios por metro cuadrado (J.m-2) que es la unidad de energía de superficie (o dina / por cm). La tensión superficial es la fuerza que hay que aplicar sobre un líquido para provocar la extensión de su superficie. Podemos definir la energía de interfaz como una demasía de energía química cuando las moléculas de superficie se encuentran dentro del líquido.

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EVALUACIÓN DE COMPETENCIAS

Si observas a tu alrededor podrás apreciar que los objetos se diferencian por tener algunas

magnitudes físicas, como la masa, el tiempo, el volumen, entre otros. Estas se miden realizando una comparación con una medida patrón.

1. La afirmación correcta es:

a) La balanza sirve para medir el volumen de una sustancia y su unidad es el cm3.

b) El dinamómetro sirve para medir el peso de un objeto y su unidad es el kilogramo.

c) La balanza sirve para medir la masa de un objeto y su unidad es el kilogramo.

d) La probeta sirve para medir volúmenes y su unidad de medida es el m.

2. Las magnitudes fundamentales son:

a) Metro, kilogramo y segundo. b) Kilómetro por hora, centímetros y horas. c) Longitud, masa y tiempo. d) Velocidad, fuerza y energía.

Para describir los cuerpos que se encuentran a nuestro alrededor nos referimos a ciertas características que nos permiten distinguirlos, es importante poder explicar algunas situaciones como ¿porqué cuando un buzo se sumerge a mayores profundidades experimenta una fuerza de empuje mayor?. Responde las siguientes preguntas aplicando el principio de Arquímedes.

3. Si se quiere hacer flotar un objeto que se encuentra totalmente sumergido en un recipiente con agua se debe igualar:

a) La densidad del objeto y la del agua b) El peso del objeto y el volumen del agua

desalojada c) El volumen del objeto y del agua

desalojada d) El peso del objeto y del agua

desalojada.

4. Las personas que no saben nadar utilizan un chaleco salvavidas, el cual les permite flotar con seguridad. Al aplicar en este caso

el enunciado del principio de Arquímedes, la función que cumple el chaleco salvavidas en las personas, es aumentar:

a) Densidad b) El peso c) El volumen d) La masa

5. La figura siguiente representa tres momentos diferentes (1,2 y 3) en la caída de una piedra dentro de un recipiente que contiene agua:

La fuerza de flotación que se ejerce sobre ella es:

a) Mayor en la posición 1 que en la posición 2

b) Mayor en la posición 1 que en la posición 3

c) La misma para las tres posiciones d) Diferente para las tres posiciones

6. La presión de un fluido en cualquier punto es directamente proporcional a la densidad del fluido y la profundidad bajo la superficie del fluido es decir, Presión = peso especifico x profundidad.

Los médicos miden la presión sanguínea de las personas en el brazo. Si a un médico se le ocurre medir la presión sanguínea, en la cabeza y en las piernas de una persona, encontrará que la presión con respecto a la del antebrazo es:

a) Igual para los tres casos b) Es mayor en las piernas c) Es mayor en la cabeza d) Es mayor en el brazo.

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7. En un estrechamiento de una tubería aumenta y disminuye respectivamente:

a) El caudal y la rapidez b) La presión y el caudal c) La rapidez y la presión d) El volumen y la presión

8. Si un buque pasa de agua dulce a salada entonces:

a) El buque se sumerge mas b) El buque se sumerge menos

c) Mantiene su nivel d) Depende del volumen del buque

9. La densidad de un cubo de 8 cm 3 es de 2 gr/cm 3 el valor de su masa es:

a) 4 gr b) 16 gr c) 0.25 gr d) 0.5 gr

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BIBLIOGRAFÍA

http://www.omerique.net/twiki/pub/Recursos/CalorTemperatura/elcalorylatemperatura.html

http://www.angelfire.com/empire/seigfrid/Conductoresyaislantes.html

http://es.wikipedia.org/wiki/Termometr%C3%ADa#Escala_Kelvin_o_absoluta

http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/confinado/energia.htm

http://recursostic.educacion.es/secundaria/edad/4esofisicaquimica/impresos/quincena4.pdf

http://www.profesorenlinea.cl/fisica/GasesPropiedades.htm

http://www.cneq.unam.mx/cursos_diplomados/diplomados/medio_superior/ens_3/portafolios/quimica/equipo3/propiedadesdelosgases.htm

http://www.boussey-control.com/esp/tension-superficial.htm

http://www.monografias.com/trabajos21/evaluacion-final/evaluacion-final.shtml