6
Fluidos y termodinámica El contexto
Entorno físico
Tu plan de trabajo… Conocer las características de los fluidos. fluidos. Explicar en qué consisten los principios de Pascal y Arquímedes. Explicar el comportamiento comportamiento de los gases gases y el plasma. Identificar las diferentes diferentes escalas de temperatura. temperatura. Reconocer las diferencias entre calor y temperatura. Identificar cuáles son las leyes de la termodinámica.
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Un iceberg es una masa de hielo que se desprende de los glaciares y queda a la deriva llevado por las corrientes. En algunas ocasiones, los icebergs pueden alcanzar tamaños descomunales. En el Ártico, es frecuente encontrar icebergs de unos 200 m de diámetro y 150 m de altura. Solo en Groenlandia se desprenden alrededor de 8.000 icebergs cada año, lo que supone un serio peligro para los barcos.
La situación actual El incremento de la temperatura media debido a la contaminación de la atmósfera terrestre en los últimos años está generando el desprendimiento de grandes masas de hielo en el Ártico y el Antártico, lo cual ha aumentado los niveles de agua en los océanos. La situación es alarmante porque, de llegar a derretirse todo el hielo de los cascos polares, la tierra firme conocida hasta ahora terminaría bajo el agua.
Breve historia del estudio sobre fluidos, calor y temperatura. Arquímedes
Pregunta problematizadora ¿Cómo podemos contribuir a evitar el incremento de la temperatura media de la Tierra?
Descubre cómo hallar el volumen de cualquier cuerpo sumergido en agua. Blaise Pascal
las características de los fluidos y cómo se comportan bajo determinadas situaciones.
Formula el principio que lleva su nombre, en el cual relaciona la presión que se ejerce en los vasos comunicantes comunicantes..
Comprendiendo los principios de la termodinámica. Por ello, es-
Daniel Fahrenheit
Comprendiendo qué es un fluido. Para ello, aprenderás a cuáles son
tablecerás las diferencias entre calor y temperatura y describirás el comportamiento de la materia en función de variables como la presión y la temperatura, entre otras. Aplicando los conceptos aprendidos para comprender lo que está sucediendo con la dinámica del clima en la actualidad. Para ello,
analizarás y resolverás problemas relacionados con calor y temperatura aplicando los conceptos aprendidos.
Plantea una escala para medir la temperatura, tomando como base el punto de fusión y ebullición del agua. Rudolf Clausius
Introduce el término de entropía como una forma de transformación de energía.
250 a. C. 1643 1647
Evangelista Torricelli
Hace el descubrimient descubrimientoo del principio del barómetro al efectuar la medición de la presiónatmosférica. Robert Boyle
1660
1714
Establece la relación entre presión y volumen cuando la temperatura permanece constante. James Joule Joule
1843
Calcula el valor del equivalente mecánico del calor estableciendo la relación existente entre calor y trabajo.
1868 Ludwig Boltzmann 1878
Define la entropía como la medida del desorden del universo.
Entorno físico
Los fluidos
1.
Lexicón Fluido: palabra que deriva del latín fluidus, adjetivo formado por el sufijo -idus, que significa “que “que
tiene una cualidad perceptible”, y la raíz fluere, que significa “deslizarse o manar”. ma nar”.
Un fluido es un cuerpo cuyas partículas cambian de posición con facilidad. Los líquidos y los gases son fluidos.
Según la teoría cinética, todas las sustancias están formadas por partículas y para el caso de los líquidos y los gases, estos presentan las siguientes características: características: Las partículas que los constituyen constituyen no tienen posiciones fijas, sino que se pueden mover independientemente independientemente de una posición a otra deslizándose entre sí. Los líquidos y los gases adoptan la forma del recipiente que los contiene. La distancia entre las partículas que conforman un líquido les permite resistir fuerzas de compresión. En cambio, la distancia entre las partículas en un gas, los hace fácilmente comprimibles. Un gas se puede expandir expandir de forma indefinida y por eso, llena llena el espacio que tenga disponible. Solo para el caso de grandes masas de gases, como el caso de la atmósfera terrestre, la fuerza de gravedad puede limitar la forma y la expansión del gas.
Fuerzas en el interior de un líquido
1.1
Un fluido, dentro de un recipiente, ejerce fuerzas sobre las paredes de este. Para comprender cómo actúan estas fuerzas en el interior de un fluido es necesario comprender los conceptos de presión y densidad . 1.1.1 La
Algunos sólidos como la arena están constituidos por pequeños cristales que en determinadas circunstancias c ircunstancias pueden “fluir” “flui r”..
presión
La presión es una magnitud derivada y se define como la relación entre la fuerza ejercida sobre un cuerpo y el área sobre la cual actúa la fuerza. La pre p) mide la fuerza por unidad de superficie. sión ( p
Para comprender la definición anterior, anterior, observa las siguientes ilustraciones:
En cada caso, se ejerce la misma fuerza sobre el mismo cuerpo en dos situaciones distintas y en cada una de ellas el resultado es diferente. Si el efecto de la fuerza en los casos anteriores depende de su magnitud y dirección, también depende de la superficie o el área sobre la que actúa. Cuanto menor sea el área, mayor es su efecto. La expresión matemática que relaciona las variables para calcular la presión es: p �
244
Acción de pensamiento:
F A
Donde:
F � fuerza aplicada expresada en newtons (N). A � área sobre la cual actúa la fuerza y se expresa en m 2. p � es el símbolo de la magnitud presión.
Componente Procesos físicos
1.1.1.1 La magnitud presión en el
Sistema Internacional (SI)
La presión se puede expresar utilizando cualquier unidad de fuerza dividida entre cualquier unidad de área pero, en el SI, la unidad estándar de presión, el newton por metro cuadrado (N/m2) se denomina pascal (Pa) e indica la fuerza en newtons ejercida sobre cada metro cuadrado de superficie. Analiza el siguiente problema: un bloque de cierto material con forma de paralelepípedo tiene unas dimensiones de 3 m de largo, 2 m de ancho y 1 m de altura y ejerce una fuerza de 100.000 N. Calcular la presión que ejerce sobre la cara de mayor área.
P �
F 100.000N � � 16.666,6 Pa 6 m2 A
Si el bloque descansara sobre una de las caras de menor área, entonces:
P �
Densidades de algunos materiales Matter Ma eria iall
Dens De nsid idad ad (g (g/c /cm m3)
Mercurio
13,6
Hierro
7,9
Acero
7,8
Aluminio
2,70
Agua
1
Hielo
0,92
Alcohol
0,78
Oxígeno
0,0014
F 100.000N � � 50.000 Pa 2 m2 A
Lo anterior indica que si la superficie donde se aplica la fuerza es mayor, la presión va a disminuir. 1.1.2 La
densidad
La densidad es es una característica de cada sustancia y se define como la medida de la cantidad de masa contenida en una unidad de volumen. Según el Sistema Internacional, se mide en kg/m 3, pero con frecuencia se expresa en g/cm3. De manera sencilla, si la masa es la medida de la cantidad de materia que posee un cuerpo, la densidad hace referencia a qué tan compactado está ese material en un volumen determinado. La expresión matemática que relaciona las variables para calcular la densidad es: ��
M A
Donde:
M � masa del cuerpo expresada en k ilogramos (kg). V � el volumen que ocupa el cuerpo y se expresa en m 3. r � es el símbolo de la magnitud densidad (kg/m 3).
En sólidos y en líquidos homogéneos, la densidad prácticamente no cambia con la presión o la temperatura; mientras que los gases son muy sensibles a las variaciones de estas magnitudes, por lo tanto, su densidad es variable y es necesario indicar en qué condiciones se mide. 1.1.2.1 Cálculo de la densidad de un cuerpo
Analiza el siguiente problema resuelto: un clavo tiene una masa de 15,8 g y para calcular su volumen se sumerge en una probeta y el volumen de agua desplazado es de 2 cm3. Determinar la densidad y el material del cual está hecho el clavo. A partir de la fórmula: fórmula: � �
M , remplazamos los valores A
��
15,8 g � 7,9 g/cm3 2 cm3
Al comparar el resultado resultado obtenido con con los valores de la la tabla “densidades “densidades de algualgunos materiales”, podemos concluir que el clavo está hecho de hierro.
Una bola de billar flota sobre mercurio líquido porque es menos densa que este. ©
245
La presión en un líquido
1.2
Para comprender cómo actúan las fuerzas en el interior de un líquido, observa la siguiente experiencia:
F3
F1 F2
1. Se coge un tubo de plástico abierto por los dos extremos y se coloca sobre uno de sus extremos un trozo de plástico que tape completamente la abertura.
F2
2. Se introduce el tubo en varias direcciones dentro de un recipiente con agua y se observa que la tapa se queda pegada al tubo independientemente de la dirección con que se introduzca, y se tiene que ejercer mayor fuerza al sumergirlo cada vez más.
3. Por el otro extremo libre del tubo, se vierte poco a poco agua y se observa que la tapa se desprende de la parte inferior del tubo justo cuando el nivel de agua en su interior coincide con el del recipiente.
Analizando lo que que ha sucedido en la experiencia experiencia anterior: anterior: La tapa se queda pegada al fondo del tubo tubo cualquiera que sea la dirección dirección en la que se sumerja. Luego: Un cuerpo sumergido en un líquido está sometido a una presión que actúa ac túa en cualquier dirección perpendicular al cuerpo.
Cuanto más sumergido sumergido esté el tubo en el líquido, se debe verter más agua, en el interior del tubo, para expulsar la tapa. Por lo tanto: El valor de la presión será mayor cuanto mayor sea la profundidad a la que se encuentre.
La presión aumenta cuanto mayor es la profundidad.
La presión que experimenta un cuerpo sumergido en un líquido depende del peso (fuerza) del líquido que está encima de este. Entre más profundo se encuentre un cuerpo dentro de un líquido, mayor será la presión que experimenta. La presión también depende de la densidad del líquido, es decir, que, entre más denso sea un líquido mayor será la presión que experimenta un cuerpo sumergido en él. 1.2.1 Cálculo
de la presión dentro de un líquido
La expresión que permite hallar la presión que genera un líquido sobre líquido sobre cualquier objeto es:
Interpreto Calcula la presión hidrostática en un punto que está situado a 15 m de profundidad en el agua. 246
©
P � �L � g � h Presión � densidad del líquido � gravedad � profundidad
Esta igualdad recibe el nombre de ecuación fundamental de la hidrostática y muestra que la presión en el interior de un líquido depende de la altura de la pro g ). fundidad (h), de la densidad del líquido ( �L) y de la aceleración gravitatoria ( g ).
Componente Procesos físicos
1.2.2 Principio
de Pascal
Observa la siguiente experiencia. Experiencia: la presión se transmite de un punto de un fluido a otro
Un vehículo en reparación es levantado por una prensa hidráulica.
1. Se colocan tapones de goma en todos los orificios de una botella de Pascal y se llena de agua la parte esférica. Por el cuello de la botella se introduce un émbolo.
2. Se baja el émbolo hasta que llega al agua. Lo que se observa es que los tapones salen disparados.
Interpreto Un niño levanta un automóvil de 800 N con ayuda de una prensa hidráulica. Este descansa sobre un pistón de 2.000 cm2 de área. Halla el valor de la fuerza F1 que el niño ejerce si se sabe que el área del pistón que empuja es de 25 cm2.
Conclusión: al bajar el émbolo, se ejerce presión sobre el agua que ocupa la parte esférica de la botella de Pascal. Como el agua es un fluido incomprensible, el aumento de presión se transmite por toda el agua y hace saltar los tapones.
En esta experiencia, se pone de manifiesto que la presión se transmite por igual a través de todas las partículas del fluido lo que hace que la presión llegue hasta los orificios donde se encuentran los tapones y los expulse; de hecho, todos saltan a la vez al empujar el émbolo. De esta forma, se enuncia el principio de Pascal: Pascal: La presión ejercida en un punto de un líquido se transmite con igual magnitud a todos los puntos del mismo. 1.2.2.1 Aplicaciones del principio de Pascal
El principio de Pascal tiene múltiples aplicaciones y constituye la base teórica de las máquinas hidráulicas, las cuales se utilizan para levantar grandes pesos. Analiza el siguiente esquema: al aplicar una fuerza F1 sobre el primer émbolo, se genera una presión en el fluido que se transmite hacia el segundo émbolo, donde se obtiene una fuerza F2. Como la presión es igual a la relación entre la fuerza y el área, tenemos que: p1 � p2 �
F1 A1 F2 A2
p1 � p2
F1 F2 � A1 S2
F2 �
F1
S1
S2
F2
A2 F1 A1
Como A2 � A1, la fuerza que se obtiene en el segundo émbolo es mayor que la que se ejerce en el primero.
Esquema de una prensa hidráulica: un recipiente lleno de un líquido con dos émbolos de distinta superficie. ©
247
1.2.3 Principio
de Arquímedes
Al sumergir un cuerpo total o parcial en un líquido, podemos notar que el líquido es desplazado y además empuja con una fuerza hacia arriba, lo cual ocasiona que el cuerpo experimente una pérdida aparente de peso, e incluso puede hacerlo flotar. Arquímedes fue un matemático y físico griego nacido en Siracusa (287-212 a. C.). El notó que el volumen desplazado (Vd ) por un objeto es igual al volumen del cuerpo sumergido ( Vs ): ): V d d � V s
El volumen desplazado es igual al volumen sumergido.
Pero lo más importante que Arquímedes encontró fue que la fuerza de empuje (E ) que ejerce un líquido sobre un objeto sumergido es igual al peso (masa � gravedad —mg— ) del líquido desplazado por este. E � mg
Si expresamos la masa del líquido desplazado en términos de densidad del líquido (�l) y volumen desplazado ( Vd ), ), tenemos: E � �l � V d d � mg
Teniendo en cuenta que el volumen desplazado ( Vd ) es igual al volumen sumergido (Vs ), ), obtenemos: E � �l � mg � V Vss
Esta ecuación nos muestra que el empuje que ejercen los líquidos sobre los cuerpos depende del volumen que sumerjamos dentro de él. Por ejemplo, esto se observa cuando introducimos introducimos una pelota de playa dentro de una piscina: se requiere más fuerza para vencer el empuje que ejerce el agua cuánto más volumen debemos introducir. 1.2.3.1 Fuerza de empuje
Todo cuerpo sumergido Todo sumergido en un líquido líquido experimenta experimenta un empuje hacia arriba por una fuerza igual al peso del fluido que desplaza.
E
E
De acuerdo con el principio de Arquímedes, cuando se introduce un cuerpo en un fluido, su peso disminuye. Para calcular la fuerza de empuje se debe conocer el peso real del cuerpo (en el aire) y el peso aparente (dentro del líquido). Llamamos peso aparente al peso del cuerpo sumergido; la diferencia entre el peso real y el peso aparente es la fuerza de empuje. Fuerza de empuje � peso real � peso aparente
La fuerza de empuje se justifica debido a la presión que las moléculas del líquido ejercen sobre las superficies sumergidas. Las fuerzas son más intensas en la profundidad. Las fuerzas horizontales se equilibran entre sí, pero las fuerzas verticales no, lo que origina una fuerza neta hacia arriba denominada empuje. 248
©
Peso aparente Peso real
8N
5N Empuje
Peso
Peso
En el primer caso, el dinamómetro marca el peso real, y en el segundo, el peso aparente.
Componente Procesos físicos
Características del empuje El empuje es la resultante de todas todas las fuerzas que un líquido ejerce sobre sobre un cuerpo que está parcial o totalmente sumergido en él (ver la imagen A). El empuje actúa siempre siempre en el centro de gravedad gravedad del volumen sumergido sumergido en un cuerpo homogéneo (B). En el caso de que un cuerpo esté sumergido total o parcialmente parcialmente en varios líquidos no miscibles, el empuje se obtiene sumando los empujes que ejerce cada uno de estos líquidos (C).
A Empuje Peso
Empuje Peso Peso
Flotabilidad
1.3
La flotabilidad es la capacidad que tiene un cuerpo para mantenerse dentro de un fluido. Se dice que un cuerpo está en flotación cuando permanece suspendido en un entorno líquido o gaseoso, es decir, en un fluido.
B
E
L
Las conclusiones del principio de Arquímedes se pueden aplicar en cualquier fluido. Por ejemplo, cuando se introduce un cuerpo en un fluido, se ponen de manifiesto dos fuerzas: el peso del cuerpo (P) y el empuje (E). P � E
P � E Empuje
P � E Empuje
C Empuje 1 2
Peso
Si el peso del cuerpo es mayor que el empuje, el cuerpo se hunde.
Peso
Si el peso del cuerpo es menor que el empuje el cuerpo asciende.
L
E
Peso
3
V 1 V 2 V 3
Si el peso del cuerpo es igual que el empuje, el cuerpo se mantiene en equilibrio.
Dependiendo de la relación entre los módulos (magnitud) de las fuerzas peso y empuje, el cuerpo flota, se hunde o se sumerge en el fluido (gas o líquido). APLICABILIDAD DEL PRINCIPIO DE FLOTABILIDAD en
en
en
Globos aerostáticos
Los barcos
Los submarinos
donde
donde
donde
Se utiliza aire caliente o helio, que son gases menos densos. Debido a su gran volumen, el peso del globo es menor que el empuje del aire, y por eso este asciende.
La línea de flotación indica el límite de la carga. Si la carga es tan grande que la fuerza peso supera a la fuerza empuje, el barco se hundirá.
Se controla la relación entre el peso y el empuje al hacer variar el peso al introducir agua o aire en los tanques de lastre.
©
249
Competencias científicas
INTERPRETO A
1 Completa el siguiente mapa conceptual utilizando las palabras claves: flotabilidad, densidad, volu-
F
men, gravedad, fuerza de empuje, fluidos, principio de Pascal Pascal,, masa, profundidad, líquidos, transmisión de presión, presión, densidad, cuerpo sumergido y gases.
I A N Z
son
O
cumplen
C O M P E T E N C I A S
se da
tienen
aplica
relaciona
relaciona
F, si 2 Escribe V, si la afirmación es verdadera o F, es falsa. Justifica tu respuesta. Si el peso de un cuerpo es muy pequeño, siempre flota en el agua.
aplica
sobre
fuerza ejercida por el agua de mar 6 Calcula la fuerza sobre la espalda de un buzo que se encuentra a 100 m de de profundidad. Supón que el área de la espalda es de 0,09 m2 y la densidad del agua de mar es de 1.040 kg/m3.
Si el peso de un cuerpo es menor menor que el empuje, el cuerpo se hunde.
situación: un elefante 7 Piensa en la siguiente situación:
Si el peso es igual al empuje, empuje, el cuerpo permanece en equilibrio.
y una mujer que calza zapatos de tacón se encuentran sobre un piso de madera.
Si el peso es es mayor que el empuje, el cuerpo sube y flota en la superficie.
Responde: ¿cuál de los dos ejercerá mayor presión sobre el piso? Justifica tu respuesta.
3 Completa la tabla de densidades e indica en cada caso si el cuerpo flota sobre el agua. Sóli Só lido do Ma Masa sa (k (kg) g) A B C D
450 700 1.000 1.000
Volumen Densidad (m3) (kg/m3)
¿Flota?
0,5 0,1 2 10.000
entre fuerza y presión. presión. 4 Establece la diferencia entre Escribe dos ejemplos para sustentar tu comparación. un bloque de aluminio aluminio y otro de 5 Si se coloca un hierro de 2 m de lado sobre una mesa: ¿Cuál ejercerá una mayor presión sobre la mesa? ¿De qué depende la presión para este este caso? 250
©
8 Responde: ¿Cuál es la relación entre la presión de un líquido y la profundidad de un líquido? ¿Cuál es la relación entre la presión de un líquido y su densidad? presión que soporta la base de un 9 Calcula la presión recipiente cuando contiene los siguientes fluidos. Fluido
Altura (m)
Densidad (kg/m3)
Mercurio Agua Aire Hidrógeno
5 50 50 500
13.600 1.000 1,3 0,07
Presión (Pa)
Identificar •
10 Lee la siguiente información y con base en
Indagar •
Explicar •
Comunicar
ARGUMENTO
ella, realiza las actividades 11 a 13.
15 Piensa en la siguiente situación. Colocas un barquito hecho de papel aluminio sobre el agua. Luego, deformas el barquito, haces una bolita con él y la colocas en el agua.
Responde: ¿Se hundirá el barquito barquito de aluminio? aluminio? ¿Qué le sucederá a la bolita de aluminio? aluminio? ¿Qué pesará más: el barquito o la bolita bolita de aluminio? ¿Por qué?
16 ¿Por qué razón los barcos construidos con Existen determinadas leyes físicas que gobiernan las incursiones del ser humano en el medio subacuático. Conocer estas leyes es de vital importancia, pues permite considerar los riesgos propios de la actividad ac tividad que allí se desarrolla. Por ejemplo, ejemplo, es imprescindible para los buzos tener en cuenta c uenta que cuando se sumergen bajo el agua, el cuerpo experimenta variaciones de peso, volumen y presión.
materiales metálicos, más densos que el agua, pueden flotar sin hundirse? Desarrollo compromisos personales y sociales
PROPONGO 17 Lee el siguiente texto.
11 Calcula la presión presi ón hidrostática hidrostáti ca que experiex perimenta un buzo a medida que se sumerge en el agua de mar. Para ello, completa la tabla. Profundidad (m)
Presión (Pa)
10 50 80 100 130 150 (Densidad del agua de mar 5 1.040 kg/m3)
12 Realiza una gráfica de profundidad contra presión.
En los últimos años nuestro país se ha visto afectado por las fuertes temporadas de invierno que han dejado miles de damnificados debido a las inundaciones, vías deterioradas o destruidas, pérdida pérdida de cultivos y de tierras para la agricultura, entre muchas otras consecuencias. Una de las estrategias que han utilizado las personas para contener las aguas de los ríos que se desbordan son los jarillones, que son diques construidos con bultos de arena.
18 ¿Crees que esta es ta es una solución efectiva efecti va 13 ¿Qué sucede con la presión presi ón a medida m edida que se sumerge más el buzo? Explica los efectos físicos que produce la inmersión del cuerpo humano a grandes profundidades.
14 ¿Con qué fines se realiza la práctica de sumergirse en las profundidades del mar?
para hacer frente a la época invernal? Justifica tu respuesta.
19 De acuerdo con lo que has aprendido, ¿qué estrategias plantearías para minimizar el impacto de la emergencia invernal en el país? ©
251
Entorno físico
Presión en los gases
2.
Los gases también son fluidos. Por lo tanto, todo lo estudiado en el tema anterior sobre líquidos se aplica también a ellos, pero por ser fluidos compresibles, compresibles, es decir, que pueden disminuir de volumen si son sometidos a una presión o una compresión, su densidad varía mucho con las condiciones y no resulta fácil hacer cálculos sobre la fuerza o la presión en el interior de un gas. Analicemos algunas situaciones comunes entre gases y líquidos.
Empuje
Peso
El globo asciende porque el empuje del aire es mayor que su peso. Piensa: ¿qué pasaría si no hubiese aire?
El aire ejerce fuerzas sobre el globo en todas direcciones. Piensa: ¿qué pasaría si solo existiesen las fuerzas que actúan de arriba hacia abajo?
La presión que ejerce la atmósfera sobre nosotros depende de la altura sobre el nivel del mar a la que nos encontremos. Piensa: ¿dónde es mayor esta presión?
La presión atmosférica
2.1
La presión atmosférica es la fuerza (peso) que ejercen los gases que componen la atmósfera sobre cualquier cuerpo inmerso en ella.
La presión atmosférica alcanza su máximo valor al nivel del mar y va disminuyendo progresivamente a medida que ascendemos en altitud. Así, por ejemplo, la presión atmosférica en la ciudad de Riohacha (a 0 msnm) es superior a la que existe en la ciudad de Tunja (a 2.782 msnm). La presión atmosférica se ejerce en todas las direcciones; por eso, sus efectos se compensan y por ello no somos conscientes de la presión que ejerce sobre nosotros, sin embargo, hay una serie de eventos que se deben a la acción de la presión atmosféri ca.
La presión atmosférica impide que se caiga el papel y, en consecuencia, el agua del vaso.
252
©
La presión atmosférica impide que el agua del vaso salga de la cubeta.
Al colocar la ventosa hemos sacado todo el aire entre ella y la pared. Ahora, la presión atmosférica de la habitación impide que la ventosa se caiga.
Al succionar, desaparece el aire del interior del pitillo y, con ello, la presión que ejerce. La presión atmosférica sobre la superficie del líquido hace que este suba por el pitillo y llegue a la boca.
Componente Procesos físicos
2.1.2 El
valor de la presión atmosférica
En el año de 1643 el científico italiano Evangelista Torricelli (1608-1647) Torricelli (1608-1647) fue el primero que calculó el valor de la presión atmosférica al nivel del mar. Torricelli llenó con mercurio un tubo de vidrio de un metro de longitud, cerrado por uno de sus extremos, y lo introdujo por su extremo abierto en una cubeta que también contenía mercurio. Tras hacer esto, Torricelli comprobó que el nivel del mercurio del tubo no bajaba del todo sino que se situaba exactamente 760 mm por encima del nivel de la cubeta. 1m
Argumento Debido a que el aire es un fluido, la presión atmosférica va en todas las direcciones (también hacia arriba). ¿Cómo podrías comprobar este hecho experimentalmente?
76 cm
presión atmosférica
Torricelli, hizo diversas pruebas utilizando tubos de vidrio de distinto grosor, pero la columna de mercurio que quedaba por encima del nivel del mercurio en la cubeta siempre era de 760 mm. Concluyó entonces que la presión que ejerce la atmósfera al nivel del mar (la presión atmosférica) es la misma que ejerce una columna de mercurio de 760 mm de alto. Esto se convirtió en la unidad de medida para la presión, por eso: 1 atmósfera de presión (atm) es la presión que ejerce la atmósfera al nivel del mar. Equivale a la presión que ejerce una columna de 760 mm de mercurio.
En otras palabras, esta experiencia se puede entender de la siguiente manera: la presión atmosférica ejerce una fuerza sobre la superficie del mercurio de la cubeta, y esta fuerza equilibra el peso de la columna líquida del tubo. Si el experimento se hubiese realizado en otro lugar situado por encima del nivel del mar, la longitud de la columna de mercurio del tubo hubiera sido menor menor,, ya que la presión atmosférica disminuye con la altura. 2.1.2.1 Unidades de presión
Para determinar la equivalencia entre una atmósfera de presión y un pascal se calcula la presión hidrostática que ejerce una columna de mercurio de 760 mm de altura: m kg patm � � Hg � g � hHg � 13.600 3 � 9,8 2 � 0,76 � 101.325 Pa, luego s m 1atm � 760 mm de Hg � 101.325 Pa
En algunos mapas meteorológicos, la presión atmosférica se expresa en milibares (mbar) y equivale a 100 pascales; es decir: 1 atm � 1.013 mbar
También se utiliza el bar. Un pascal equivale a 0,00005 bar o 10 �5 bar; es decir: 1 Pa � 10�5 bar
Al nivel del mar, el peso que soporta soport a 2 una superficie de 1 m es de 100.000 N (105 N/m2) aproximadamente o de 100 kPa. ©
253
2.1.2.2 Instrumentos de medida de la
presión
atmosférica
Lexicón Barómetro: se deriva de la unión de los vocablos griegos baros que significa “pesadez, peso, carga” y metron que
significaa “medida”. signific “medida”. A la atmósfera Conectado al sistema al que quiere medirse la presión
h
Columna líquida
Los manómetros manómetros que que son instrumentos que se utilizan para medir la presión de fluidos contenidos en recipientes cerrados, por lo general, gases. Los manómetros más sencillos están formados por un tubo en “U” que tiene un líquido en su interior y puede estar abierto o cerrado. Al conectar el manómetro al recipiente que contiene el gas cuya presión se quiere medir, el líquido se desplaza en el interior del tubo de un lado o a otro dependiendo de la presión. Existen otras clases de manómetros metálicos que tienen en su interior un resorte en espiral que se abre más o menos según la presión del gas. Los llamados barómetros barómetros son son otro tipo de aparatos que miden la presión atmosférica. Hay barómetros de mercurio y barómetros metálicos. Los barómetros de mercurio basan su funcionamiento en el experimento de Torricelli Torricelli y, por lo general, dan una medida muy exacta de la presión atmosférica. Por su exactitud están ubicados en las estaciones meteorológicas y los laboratorios de física. 2.1.3 Flotabilidad
en el aire
Un objeto rodeado por un gas (aire) es empujado hacia arriba por una fuerza igual al peso del gas que desplaza el objeto.
El concepto de flotabilidad en los gases tiene las mismas características que en los líquidos, la única diferencia es que la densidad del aire es mucho menor y por eso, los objetos que logran flotar sobre él, son pocos. Por ejemplo, la flotabilidad en el aire se da cuando se sumerge en él un globo inflado con un gas de menor densidad como el helio o aire caliente. Un globo asciende si desplaza un peso de aire mayor que su propio peso. A
En la actualidad, podemos observar cómo diferentes objetos pueden flotar en el aire como los globos de helio o aerostáticos y el zepelín. Esto se debe a que contienen en su interior gases menos densos que el aire, entonces, la fuerza de empuje que aplica el aire va ser mayor que el peso del objeto.
Fluidos en movimiento
2.2
El movimiento en un fluido puede adoptar una de las siguientes dos formas: flujo o corriente laminar y y turbulencia .
B
Se llama flujo o corriente laminar (A), (A), al movimiento de un fluido cuando este es ordenado y suave. En un flujo laminar, el fluido se mueve describiendo “láminas” paralelas, es decir, una sobre otra, sin entremezclarse, y cada partícula del fluido sigue una trayectoria definida, denominada línea de corriente. corriente. Se llama turbulencia (B) al (B) al movimiento de un fluido que se presenta en forma caótica, es decir, que las partículas se mueven desordenadamente y las trayectorias de las partículas son indefinidas y forman remolinos, como por ejemplo, en el caso de la caída de agua desde una gran pendiente o los huracanes y los tornados que se forman en la atmósfera.
254
©
Componente Procesos físicos
2.2.1 Principio
de Bernoulli
Daniel Bernoulli fue un científico suizo del siglo XVIII, quien realizó una serie de experimentos para analizar lo que sucedía con un fluido cuando se hacía circular agua a través de tubos con secciones transversales de diferente altura y diámetro. La conclusión a la que llegó después de sus observaciones es que la presión en las paredes de los tubos disminuye conforme aumenta la rapidez del agua. Esta conclusión, también es aplicable a gases en movimiento. La conclusión de Bernoulli, se puede expresar de la siguiente manera: Principio de Bernoulli: cuando se incrementa la rapidez de un fluido, disminuye la presión interna en el fluido.
Esta expresión, es consecuente con el principio de conservación de la energía y se puede entender de la siguiente forma: en un fluido ideal, ideal, es decir, donde no existe fricción interna entre las partículas, se evidencian tres clases de energía: La energía cinética debida al movimiento movimiento.. El trabajo asociado a la fuerzas de presión. La energía potencial gravitatoria debida a la elevación. Así, la velocidad velocidad se relaciona relaciona con la energía energía cinética cinética y la altura con la energía energía potencial gravitacional, gravitacional, lo cual indica que la energía en todo el fluido siempre es la misma. Las aplicaciones de este principio revolucionaron muchos aspectos de la sociedad del siglo XX ya que fue posible construir aviones que se sostuvieran en el aire. El principio de Arquímedes, utilizado en la fabricación de los dirigibles y los globos aerostáticos, fue remplazado poco a poco por nuevos aparatos como los aviones de hélice y de turbina, en los cuales se aplica el principio de Bernoulli para que puedan volar.
Debido a que el flujo es continuo, el agua aumenta su rapidez cuando pasa por la parte angosta de la manguera. v 2 v 1 h1
l 2
l 1
La suma de la presión, la energía potencial por unidad de volumen y la energía cinética por unidad de volumen es constante. Esto obedece a la ley de la conservación de la energía.
sustentación
2.2.1.2 Fuerza de sustentación
La fuerza de sustentación es la que se ejerce sobre un cuerpo que se mueve en medio de un fluido. Es de dirección perpendicular perpend icular a la dirección de la velocidad de la corriente incidente.
Por ejemplo, sobre un avión en movimiento actúan cuatro fuerzas: el peso, la resistencia al avance; que es la fuerza que se opone al movimiento, la reacción que producen los motores o las hélices y que hace que el avión pueda moverse por el aire, y la sustentación del avión; que es producida por la forma aerodinámica de las alas, al moverse el avión por el aire. La fuerza de sustentación se produce sobre las alas y debe ser mayor que el peso del avión. Cuando el avión está en movimiento, el aire que pasa por el ala lleva mayor velocidad en la parte superior que en la inferior porque tiene que recorrer una mayor distancia al mismo tiempo. Al llevar mayor velocidad, reduce la presión en la parte superior y, por lo tanto, en la parte inferior, el aire ejerce mayor fuerza y, de esta forma, el avión se puede sostener en el aire.
h2
resistencia reacción
peso fuerza de sustentación
El vector vertical representa la fuerza neta hacia arriba (sustentación) que se debe a que hay más presión de aire bajo el ala que arriba de ella. ©
255
Efectos de la presión atmosférica
2.3 A B
C D A 12.000 msnm
Presión atmosférica de 150 mm de mercurio. B Cima del Everest, Everest, 8.848 msnm
Presión atmosférica de 300 mm de mercurio. C A mitad del ascenso al Everest Everest
Presión atmosférica de 500 mm de mercurio. D Nivel del mar
Presión atmosférica de 760 mm de mercurio.
Composición de la atmósfera a nivel del mar Gas
% en volumen
Nitrógeno
78
Oxígeno
20,9
Dióxido de carbono
0,03
Argón
1
Otros
0,07
Los seres vivos que habitan la superficie terrestre están “familiarizados” con la presión que ejerce la atmósfera sobre ellos al igual que los seres vivos que viven bajo el agua están adaptados a la presión que esta ejerce esta sobre ellos. En nuestro caso, no somos conscientes de la presión atmosférica porque la presión interna de nuestro n uestro cuerpo es igual a la del de l aire que nos rodea. Es decir, de cir, no hay fuerza neta que podamos sentir. En algunas situaciones, es posible que podamos sentir los cambios en la presión atmosférica, por ejemplo, cuando nos desplazamos de una ciudad que se encuentra a una mayor altitud con respecto a otra, o cuando realizamos viajes en avión. Esto se debe a que los oídos, en ocasiones, demoran o tienen dificultad para compensar la presión del aire del medio externo con la presión del aire del medio interno que se encuentra en el oído por impermeabilidad de la trompa de Eustaqu Eustaquio io que que es un conducto que comunica la nariz con el oído medio. Sin embargo, la presión atmosférica afecta de muchas maneras las formas de vida del planeta. Entre ellas, se destacan: el efecto sobre el clima y y durante la práctica de deportes. 2.3.1 Efectos
sobre el clima
En los lugares que se encuentran al nivel del mar, el aire se hace más caliente debido a que hay mayor presión atmosférica generada por la columna de aire. El incremento de la temperatura se debe a que las partículas de gas elevan su energía interna por la fricción que se genera entre ellas cuando chocan entre sí. En contraposición, el aire que se encuentra a mayor altitud, por ejemplo en las altas montañas, soporta menos peso, por lo tanto, está menos comprimido. En conclusión, el aumento de presión aumenta la temperatura y la disminución de la presión, la reduce. 2.3.2 Efecto
durante la práctica de los deportes
No es igual practicar un deporte a nivel del mar que en la parte alta de una montaña. La presión atmosférica comprime el aire en zonas de baja altitud, de forma tal que en cada unidad de volumen hay mayor cantidad de oxígeno, mientras que a grandes alturas el aire está más enrarecido, es decir, con menos cantidad de oxígeno disponible. En este último caso, los deportistas deben aumentar su frecuencia respiratoria para poder obtener el oxígeno necesario. Por esta razón, los deportistas se preparan entrenando a grandes alturas. Efectos de la falta de oxígeno
Aumento en la velocidad de respiración, produciendo hiperventilación, que es el aumento en la frecuencia o la profundidad de los movimientos respiratorios y además se elimina en exceso dióxido de carbono. Aumento en la producción de glóbulos rojos, aunque, este proceso necesita de una adaptación al ambiente de aproximadamente 36 semanas. Incremento del ritmo cardíaco debido al flujo de sangre. Esto se evidencia en e n las pulsaciones que tiene un deportista depor tista en un minuto.
P (mb) (mb)
1000 800 600 400 200 0
2
4
6
8
10 12 14
h(km)
Variación de la presión atmosférica con la altitud. 256
©
Por otro lado, cuando una persona se desplaza a una zona de mayor altitud puede padecer mal de altura , el cual se evidencia en una serie de síntomas como náuseas y dolor de cabeza, debido a que la composición de los gases en su sangre se ve afectada.
Componente Procesos físicos
El plasma
2.4
Se denomina plasma al cuarto estado de agregación de la materia y se da cuando los elementos de la naturaleza alcanzan temperaturas muy altas: del orden de los millones de grados centígrados. Se caracteriza porque es un fluido similar a los gases pero en el que una proporción de las partículas están cargadas eléctricamente, es decir decir,, están ionizadas están ionizadas.. Es el estado del que menos se conoce, pero es el más abundante en el universo, ya que la materia que se encuentra en las estrellas está en estado de plasma. El plasma presenta las siguientes características: Como los gases, el plasma no tiene una forma definida o un volumen definido, a no ser que esté encerrado en un contenedor. contenedor. El plasma es un excelente conductor conductor de la corriente eléctrica, absorbe ciertas ciertas cantidades de radiación, y puede ser manipulado mediante campos electromagnéticos. El plasma, bajo la influencia de un campo magnético, magnético, puede formar estructuras como filamentos, rayos y capas dobles. Los átomos de este estado se mueven libremente: libremente: cuanta más alta es la temperatura más rápido se mueven los átomos y la velocidad que adquieren es tan alta que en el momento de colisionar, se produce un desprendimiento de electrones. En la Tierra, en condiciones normales, es difícil encontrar materia en este estado porque muy pocas veces se alcanzan estas altas temperaturas, pero los rayos que se forman durante una tormenta eléctrica son un buen ejemplo de materia en estado de plasma. También, en los polos norte o sur se produce un fenómeno conocido como las auroras boreales y australes debido a que los vientos los vientos solares, solares, que son corrientes de partículas ionizadas provenientes de la atmósfera superior del Sol (o de una estrella en general), chocan a gran velocidad con los átomos de nitrógeno y oxígeno, que se encuentra en la atmósfera y hacen que los electrones de estos elementos salgan de sus órbitas habituales y convierten momentáneamente estos gases en plasma; pero, en cuestión de millonésimas de segundo, los electrones vuelven a sus estados naturales y emiten energía en forma de luz. Artificialmente se puede puede lograr lograr el estado de plasma plasma en algunos elementos mediante la fisión nuclear . Este proceso consiste en que un núcleo pesado se divide en subproductos que son partículas cargadas eléctricamente, liberando una considerable cantidad de energía lumínica y térmica lo cual hace que se produzca un incremento en la temperatura generando el estado de plasma en la materia. Actualmente, se estudia la forma de utilizar esta energía térmica para satisfacer las necesidades energéticas de la sociedad. Uno de los métodos que se emplean para generar energía a partir de plasma se conoce con el nombre de interacción magnetohidrodinámi magnetohidrodinámica ca (MHD) (MHD) la cual consiste en manipular un plasma que se produce en motores a reacción. Este plasma se caracteriza porque está débilmente ionizado pero, al agregársele pequeñas cantidades de sales de potasio o de cesio metálico, se convierte en un excelente conductor de la electricidad y, y, al hacerlo interactuar con un imán, se genera energía eléctrica. La energía MHD es una energía alternativa ya que es poco contaminante y es producida en algunos lugares del mundo.
Un plasma es un gas ionizado, es decir, que los átomos y las moléculas que lo conforman están cargados eléctricamente.
Las auroras boreales y australes son plasmas brillantes en la atmósfera superior.
Dirección del campo magnético Cátodo
Plasma N
S
Ánodo
Flujo de corriente a través del plasma
Generación de energía magnetohidrodinámica. ©
257
Competencias científicas
INTERPRETO A
1 Completa el mapa conceptual con las siguientes palabras o expresiones: fuerza, empuje, gases,
F
prensa hidráulica y presión.
I
Los fluidos
A N Z
se clasifican en pueden ejercer
O
pueden ejercer
Líquidos
C O M P E T E N C I A S
cumpliendo
que ocasiona cumpliendo el Principio de Arquímedes
el cual establece la condición de flotación
que depende de las siguientes situaciones
2 Las siguientes afirmaciones se refieren a un cuerpo sumergido en un fluido. Escribe una V, si la afimación es e s verdadera o una F, F, si es falsa. Justifica tu respuesta. El cuerpo solo está sometido a fuerzas cuando el fluido es un líquido, no cuando es un gas. La fuerza que actúa sobre sobre el cuerpo es es siempre vertical y hacia arriba. La fuerza que actúa lo hace en todas las direcdirecciones en forma perpendicular al cuerpo. La fuerza depende depende de la profundidad profundidad a la que se encuentre el cuerpo.
3 Responde:
Si E E � � p p,, el cuerpo flota
El principio de Pascal
Si E E � � p p,, el cuerpo se hunde
el cual tiene aplicación en
Si E E � � p p,, el cuerpo se mueve hacia arriba
5 Convierte 10 mbar en pascales. 6 Convierte 35.000 pascales a atmósferas de presión.
ARGUMENTO 7 Analiza la siguiente información y con base en ella, responde las preguntas 8 a 11. Los globos aerostáticos calientan el aire con unos potentes quemadores de gas butano para ascender y desplazarse por el aire.
¿Afecta la presión atmosférica la presión sanguínea? Explica tu respuesta. ¿Dónde alcanza su máximo valor la presión atmosférica? ¿Cuál es la diferencia entre entre presión atmosférica y presión hidrostática?
4 Encierra, en un óvalo, la respuesta correcta. En las siguientes situaciones, ¿quién experimenta mayor presión atmosférica? Una persona que se encuentra encuentra a 0 msnm. msnm. Un niño ubicado ubicado a 1.000 msnm. Un buzo bajo la superficie superficie del mar. mar. 258
©
calentar el aire dentro dentro de un 8 ¿Por qué se debe calentar globo?
9 ¿Por qué no pueden subir más de 10 pasajeros en cada viaje?
10 ¿Cómo se hace descender el globo? 11 ¿Qué sucedería con el globo y las personas que viajen en él si ascendieran hasta salir de la atmósfera?
Identificar •
12 Analiza la siguiente información. En las Eliminatorias al Mundial de Fútbol en Suramérica, cada equipo debe elegir la sede donde va a disputar los partidos como local. La mayoría de países lo hacen teniendo en cuenta las condiciones ambientales que favorecen a sus jugadores.. jugadores Por ejemplo, Bolivia elige como sede La Paz, porque se encuentra a 3.650 metros sobre el nivel del mar y los futbolistas que viven allí rinden más que cualquier otro.
Responde: En Colombia se quiere escoger la sede para la selección Colombia entre Barranquilla que está al nivel del mar y Bogotá que está a 2.600 metros sobre el nivel del mar, ¿cuál crees debe ser la sede de la selección considerando que la mayoría de sus jugadores militan en clubes extranjeros?
13 Algunas fábricas de balones de fútbol ubicadas en la costa inflan los balones que van a ser vendidos en ciudades como Pasto, Tunja o Bogotá por debajo de su capacidad normal y, cuando los balones llegan a los estantes de las tiendas en estas ciudades, se encuentran firmes. ¿Por qué crees que sucede esto?
14 Analiza la siguiente situación.
Indagar •
Explicar •
Comunicar
16 Lee la siguiente información y, con base en ella, responde las preguntas 17 a 19.
La Sierra Nevada de Santa Marta es uno de los sitios naturales más visitados por los extranjeros en nuestro país. Sus características son muy particulares: es el sistema montañoso más alto del país y está ubicado a tan solo 42 kilómetros del mar Caribe. A este sistema montañoso pertenecen per tenecen el Parque Natural Nacional Sierra Nevada de Santa Marta y el Parque Nacional Natural Tairona. Su clima es muy variado ya que se pueden encontrar temperaturas que van desde los 30 °C en el pie de la montaña hasta los 0 °C en las cimas más altas donde se puede encontrar nieve.
17 ¿Por qué en la parte alta de una montaña como la Sierra Nevada hace hace más frío si se encuentra más cerca del sol?
18 ¿Por qué la temperatura es más alta en la parte inferior de la montaña?
19 ¿Qué características climáticas hacen especial a la Sierra Nevada de Santa Marta? Desarrollo compromisos personales y sociales
PROPONGO 20 Construye un aeroplano con materiales
Imagina que estás sumergido en una piscina y dejas escapar burbujas de aire de tus pulmones.
15 Explica qué cambios de masa, volumen y densidad experimentan estas burbujas cuando: están ascendiendo ascendiendo en el agua. salen a la superficie.
reciclables como papel, madera, plástico o cartón con la condición de que pueda sostenerse el mayor tiempo posible en el aire. Recuerda que el diseño de las alas es importante para que se sostenga por más tiempo en el aire. Realiza una competencia con tus compañeros y demuestra que tu aeroplano cumple con las características físicas del principio de Bernoulli que aprendiste en esta sección. ©
259
Entorno físico
Calor y temperatura
3.
La materia, independientemente del estado en que se encuentre, está formada por átomos o moléculas en constante movimiento, lo cual les confiere energía cinética y el promedio total de esta energía en un cuerpo es lo que permite determinar qué tan “caliente” o “frío” se encuentra. Luego, cuando un cuerpo se calienta, quiere decir que aumentó el movimiento de sus partículas, es decir, aumentó el promedio de energía cinética de sus átomos o moléculas. Son muchos los ejemplos que ilustran el aumento de la energía cinética en los cuerpos, por ejemplo, al golpear una lámina de metal con un martillo, al colocar un líquido sobre una llama o al comprimir aire con rapidez dentro de una bomba. Hasta hace unos 200 años se pensaba que el calor era una clase de fluido invisible llamado calórico, el cual impregnaba la materia y era el responsable de su calor.
La temperatura en los cuerpos
3.1
Cuando se toca un objeto se puede identificar como “caliente” o “frío” dependiendo de la sensación que produzca. De esta manera, los sentidos nos brindan una información cualitativa de la temperatura, pero esta información es de carácter subjetivo y puede ser equivocada debido a que el sentido del tacto no es lo suficientemente preciso para determinar lo caliente o frío que está un cuerpo. Por Por lo tanto, necesitamos de un método confiable y reproducible para establecer el grado relativo en que un cuerpo está caliente o frío, es decir, medir su temperatura. Este método confiable nos lo brindan los termómetros . 3.1.1 La
energía interna
La teoría cinética afirma que la materia está formada por partículas en continuo movimiento, es decir que, las partículas que forman la materia tienen energía cinética, debido a su movimiento, y energía potencial, cuando las fuerzas entre ellas les obligan a mantener ciertas posiciones. De acuerdo con lo anterior, la l a energía cinética es mayor en las partículas de los gases gas es y menor en las de los sólidos s ólidos y, y, la energía potencial es mayor en las partículas de los sólidos y menor en las de los gases. Se denomina energía interna de un cuerpo a la suma de la energía cinética y potencial de cada una de las partículas que lo forman.
La energía interna de un cuerpo depende de:
Aegumento 1. ¿Desde el punto de vista científico, es correcto decir “tengo frío” o “tengo calor”? Justifica tu respuesta. 2. ¿Por qué se dice que la sensación de calor es relativa? 260
©
La cantidad de materia. Cuanto materia. Cuanto mayor sea el número de partículas del cuerpo, mayor será su energía interna. El tipo de sustancia. Ya sustancia. Ya que de ello dependen las fuerzas que se puedan establecer entre las partículas, lo que determina su energía potencial. La temperatura. La temperatura. La teoría cinética indica que cuanto mayor sea la velocidad a la que se mueven las partículas y su energía cinética, mayor será la temperatura de la sustancia. La temperatura es la medida de la energía cinética promedio que poseen las partículas que conforman un cuerpo.
Si las partículas de un cuerpo se mueven a una velocidad menor, se reduce la temperatura. Cuando las partículas no se mueven, su energía cinética es cero; en ese momento se habrá alcanzado la temperatura más baja posible. Esa temperatura coincide con �273, 15 °C y se denomina “cero “cero absoluto”. absoluto”.
Componente Procesos físicos
3.1.2 Medición
de la temperatura
La temperatura se puede medir utilizando diferentes escalas termométricas. La graduación de estas escalas se realiza a partir de unos puntos de referencia que son constantes. Los puntos de referencia más utilizados son las temperaturas correspondientes a cambios de estado de diversas sustancias, que son fijas siempre que el cambio de estado se produzca bajo las mismas condiciones de presión. Por ejemplo, se emplean los puntos de fusión y ebullición del agua, a la presión de una atmósfera.
Relaciones para convertir escalas de temperatura Esca Es cala lass Re Rela lació ción n mate matemá mátic tica a
°C a °F
9 °F � °C � 32 5
°C a K
K � °C � 273
Una vez establecidos los puntos de referencia, la distancia que los separa se divide en partes iguales, de modo que se obtiene la correspondiente escala termométrica. Existen diversas escalas termométricas que utilizan diferentes puntos de referencia, pero las más utilizadas son: Celsius, Fahrenheit y Kelvin. Aders Celsius, creador de la escala Celsius
Daniel Fahrenheit, creador de la escala Fahrenheit
William Thomson. Barón Kelvin, creador de la escala Kelvin
Escala Celsius (°C)
Escala Fahrenheit (°F)
Escala absoluta o Kelvin (K)
También conocida con el nombre de escala También centígrada, mide la temperatura en grados Celsius (°C). Los puntos de referencia de esta escala son para la temperatura de fusión del agua 0 °C y para la temperatura de ebullición 100 °C. El intervalo entre estos valores se divide en 100 partes iguales y cada parte corresponde a 1 °C.
En esta escala, la temperatura se mide en grados Fahrenheit (°F). En ella, la temperatura de fusión del agua corresponde a 32 °F y la temperatura de ebullición a 212 °F. El intervalo entre estos valores se divide en 180 partes. par tes. Cada división corresponde a 1 °F °F..
Es la escala más empleada en el ámbito científico. En ella se asigna el valor de d e 273 K al punto de fusión del agua y 373 K a su punto de ebullición. El intervalo entre estos valores se divide en 100 partes y cada una equivale a 1 K.
Para convertir entre sí las escalas presentadas, se utiliza la siguiente proporción C � 0 F � 32 K � 273 � � 100 180 100
Interpreto Se tienen dos cuerpos:
°C
°F
°K
100°
212°
373,16°
0°
32°
273,16°
�273,16°
�459,4°
0°
El primero está formado por partículas con poco movimiento. El segundo está formado por partículas que poseen mucha energía cinética. Responde: ¿cuál de los dos cuerpos tendrá mayor temperatura? Justifica tu respuesta.
©
261
El calor o la energía térmica
3.2
El calor o la energía térmica es la energía que se intercambia cuando se ponen en contacto dos cuerpos que están a distinta temperatura o cuando se produce un cambio de estado.
En este sistema, el refresco (líquido) se “enfría” “enfría” porque cede calor cal or al hielo hiel o hasta alcanzar el equilibrio térmico. Al mismo tiempo, el hielo recibe calor del refresco y, a medida que se “calienta”, va derritiéndose.
Si se considera un sistema conformado por dos cuerpos a diferentes temperaturas, se observa que existe una transmisión espontánea de energía. Lo anterior se explica de la siguiente manera: cuando el cuerpo a mayor temperatura se pone en contacto con el cuerpo a menor temperatura, le cede calor; se dice entonces que el cuerpo caliente se “enfría” y el frío se “calienta”. Según lo anterior, el calor es energía en tránsito,, por lo tanto, carece de sentido decir que un cuerpo “tiene calor”. tránsito calor”. La afirmación correcta es que un cuerpo absorbe o pierde calor. 3.2.1 Medición
del calor
El calor se mide en unidades de energía. En el SI, el calor se mide en julios ( J ). ). Tradicionalmente también se utiliza la caloría (cal). (cal). Una caloría es es la cantidad de calor que hay que ceder a 1g de agua para que su temperatura aumente un grado centígrado. 1 cal � 4,18 J
En la cotidianidad, la medida del calor es un aspecto importante para mantener una adecuada nutrición ya que los alimentos que se consumen se transforman en el cuerpo por medio de reacciones químicas en las que se libera calor. Por Por esto, la información nutricional que ofrece un determinado producto debe contemplar la cantidad de calorías que puede suministrar al organismo. Para determinar el valor energético que ofrece un alimento, este se debe “quemar” “quemar” y medir la energía que desprende. Este procedimiento se realiza por medio de un aparato denominado calorímetro calorímetro el el cual consiste en un recipiente que está térmicamente aislado del ambiente y en el cual se evita la pérdida de calor. El termo, que normalmente se usa para conservar alimentos y bebidas “c “calientes”, alientes”, funciona como un calorímetro. Los alimentos se pueden clasificar de acuerdo con la cantidad de energía que liberan y para ello se utiliza la unidad de medida kilocaloría , que equivale a 1.000 calorías. Una dieta de 2.500 calorías diarias (2.500 kcal ) aporta 10.450 kJ .
A
3.2.2 El 35 °C
25 °C
equilibrio térmico
Analiza la siguiente siguiente experiencia: Al mezclar mezclar agua caliente con agua agua fría (A) se obtiene agua agua a una temperatura temperatura interintermedia (B). La temperatura final dependerá de la cantidad de agua que hay en cada vaso y de la temperatura a la que se encuentre.
B
30 °C 0
250 m l
262
©
De esta experiencia se concluye que, cuando se ponen en contacto dos cuerpos que están a distinta temperatura durante un tiempo suficiente, sus temperaturas llegan a igualarse, es decir, alcanzan el equilibrio térmico. Por lo tanto:
l
m 200 % 5
50
150
100
100
150
50
Dos cuerpos que se encuentran en contacto y tienen la misma temperatura están en equilibrio térmico.
Componente Procesos físicos
3.2.2 El
efecto del calor sobre los cuerpos
Cuando un cuerpo absorbe o pierde calor se modifica su temperatura, su tamaño o su estado o fase. 3.2.3 Cambio
de temperatura
Analiza la siguiente siguiente experiencia en la cual se ponen agua y aceite a calentar. calentar.
0
250 m l
l
m 200 5%
1 50 10 0
150
0
50 100
250 m l
50
l
m 200 %
150 10 0
150
0
5
50 100
250 m l
50
ml
2 00 % 5
50
15 0
100
100
150
50
Absorbiendo calor aumentamos la energía interna de las partículas que forman la sustancia. 0
250 m l
ml
2 00 % 5
0
l
200 m% 5
0
l
m 200 5%
50
15 0
50
150
50
150
100
1 00
100
1000 10
100
1 00
150
50
150
50
150
50
250 m l
250 m l
Calor específico de algunas sustancias Sustancia
Ce (cal/g � °C)
Agua
1,00
Alcohol etílico
0,58
Hielo
0,50
Como se observa, cuando un cuerpo absorbe calor y cambia su temperatura, el valor que alcanza depende de la masa y de la clase de materia que lo conforma. De lo anterior, se concluye que:
Vapor de agua
0,50
Aluminio
0,22
Vidrio
0,20
Se denomina calor específico (Ce) de una sustancia a la cantidad de calor que hay que ceder a 1 g de la misma para que su temperatura aumente aumente 1 K . En el SI se mide en J /(kg � K ).).
Cobre
0,09
Mercurio
0,03
Oro
0,03
Los tres mecheros están encendidos durante el mismo tiempo y a la misma potencia, es decir, aportan la misma cantidad de calor. ¿De qué depende el valor de la temperatura final?
El calor específico de una sustancia depende de dos factores: De su masa; cuanta más masa tenga la sustancia, mayor es su capacidad capacidad calórica; es decir,, se necesitará más calor para elevar su temperatura en un grado. decir De las fuerzas que existen entre sus partículas partículas y varía según el estado físico en el que se encuentre. Por otro lado, el calor específico es una propiedad intrínseca de la materia y esto se debe a que las diferentes sustancias tienen distintas capacidades de almacenamiento de energía interna y requieren de distintas cantidades de calor para elevar, por ejemplo, en un grado, una cantidad específica de materia de dicha sustancia. Dicho en otras palabras, mientras que un gramo de agua requiere de una caloría de energía para elevar un grado Centígrado su temperatura, un gramo de hierro solo necesita la octava parte de esa energía para elevar su temperatura un grado. De acuerdo con las leyes de Newton, el calor específico se puede entender como una inercia térmica , es decir, la resistencia que ofrece una sustancia a cambiar su temperatura.
Interpreto ¿Qué sustancia se calienta con más rapidez al suministrarle calor: agua o alcohol etílico? Explica tu respuesta. Si una sustancia se calienta con rapidez, ¿su calor específico será alto o bajo? Según la ley de la conservación de la energía, si tu cuerpo se enfría algo se debe calentar. ¿Qué es lo que se calienta?
©
263
3.2.2 Cambio
en el tamaño
Los cambios de temperatura pueden afectar en gran forma las propiedades de los materiales. A temperaturas muy bajas, por ejemplo, el acero se vuelve quebradizo y se rompe fácilmente, y los líquidos se solidifican o se hacen muy viscosos, lo cual les proporciona una elevada resistencia a fluir. Por otro lado, al aumentar la temperatura, las moléculas tienen más vibración y más velocidad; por tanto, más energía cinética, por lo que las moléculas se separan más. Esto se manifiesta con un aumento del tamaño del cuerpo; es decir decir,, se dilata .
Dilatación lineal. L0
L
L
3.2.2.1 Dilatación en sólidos
Cuando un sólido se dilata, lo hace de tres formas diferentes:
Dilatación superficial.
Dilatación lineal, como lineal, como la que experimenta la longitud de una varilla, un cable o un alambre. Dilatación superficial, como superficial, como la que experimenta una lámina o la superficie de un sólido. Dilatación cúbica o volumétrica, que volumétrica, que es la dilatación que experimenta el volumen de un sólido. También También se aplica a plica en líquidos líqui dos y gases.
S
S0
3.2.2.2 Dilatación en líquidos
S
En general, los líquidos se dilatan aún más que los sólidos cuando experimentan un aumento de temperatura. Pero esta dilatación es más difícil de medir, puesto que los líquidos deben estar en el interior de un recipiente que también se dilata.
Dilatación volumétrica. V
3.2.2.3 Dilatación de los gases V V 0
Los gases se dilatan más que los líquidos y los sólidos. Para estudiar esta dilatación hay que tener en cuenta el efecto de la variación de temperatura en la presión y en el volumen del gas. 3.2.3 Cambio
IMAGEN SOBRANTE
264
de estado o fase
En el ambiente, la materia se presenta en cuatro estados o fases fases que que se definen según la “intensidad” de las fuerzas moleculares que mantienen unidas las partículas que la conforman. Los estados o las fases de la materia dependen de la temperatura y de la presión a la que esté sometida. Estos cuatro estados son: sólido, líquido, gaseoso y plasma .
Estado sólido
Estado líquido
Estado gaseoso
Estado de plasma
Se presenta cuando las partículas de las sustancias están fuertemente ligadas a su estructura, y ocupan posiciones fijas alrededor de las cuales pueden vibrar, de manera que el cuerpo sólido presenta forma y volumen fijo.
En este estado, las partículas de la sustancia están débilmente ligadas, pueden moverse unas con respecto a otras y adoptan la forma del recipiente que contiene la sustancia.
En este estado, las partículas de la sustancia están muy débilmente ligadas, las fuerzas de atracción entre ellas son prácticamente nulas y tienden a ocupar el mayor volumen posible.
Este estado se presenta en situaciones en que la temperatura te mperatura es considerablemente alta y hace que las partículas se muevan libremente a grandes velocidades. Las partículas en este estado están ionizadas.
©
Componente Procesos físicos
3.2.3.1 Puntos de fusión y ebullición
Cuando una sustancia cambia de estado o fase se modifican las fuerzas que mantienen unidas sus partículas y, casi siempre para que estos cambios ocurran, se requiere de una transferencia de energía. El calor que se transfiere a las sustancias mientras se produce el cambio de estado no se invierte en modificar su temperatura, sino en modificar las fuerzas entre sus partículas. Por este motivo, la cantidad de sustancia que cambia de estado depende de la cantidad de calor que se le comunica y del tipo de sustancia. Las temperaturas a las cuales la materia cambia de estado se conocen como puntos de ebullición y de fusión. Se denomina punto de ebullición ebullición o de vaporización vaporización a a la temperatura a la que se produce el cambio de estado líquido a gaseoso en toda la masa del líquido. El punto de ebullición coincide con el punto de condensación. Para el agua, el valor de este punto es de 100 °C, a la presión de una atmósfera. Se denomina punto de fusión a fusión a la temperatura a la cual se produce el cambio de estado sólido a líquido. El punto de fusión coincide con el punto de solidificaci solidificación. ón. Para el agua, su valor es de 0 °C a la presión de una atmósfera. Cambios de fase de la materia Sublimación Estado sólido
Estado líquido Fusión Solidificación
Estado gaseoso
El filamento de una bombilla alcanza una temperatura de unos 2.000 °C cuando se enciende. Pero la temperatura de fusión del material que la forma (wolframio) es de 3.387 °C; por eso no se funde.
Ebullición Condensación Temperatura Temper atura Punto de ebullición D E Gas
Sublimación inversa C ° 0 0 1
3.2.3.2 Calor latente de un cambio de estado
Se llama calor latente de un cambio de estado (L) estado (L) a la cantidad de calor que hay que transmitir a la unidad de masa de una sustancia para que experimente el cambio de estado a la temperatura característica de ese cambio de estado. Según sea el caso, se habla de calor latente de fusión (L f ) o del calor latente de vaporización vaporizació n (Lv ). El calor latente se mide en J/kg en el SI. Por ejemplo, el calor latente de fusión del hielo es de 80 cal/g; es decir, hay que transmitir 80 cal a un gramo de hielo a 0 °C para que pase a ser agua líquida a 0 °C. En unidades del SI, L fusión del hielo � 334.400 J/kg. Calores latentes de fusión y temperaturas de fusión de distintas sustancias
Calores latentes de vaporización y temperaturas de ebullición de diferentes sustancias
Sustancia
Lf ( (k kJ/kg)
T fusión (°C)
Sustancia
LV ( (k kJ/kg)
T ebull. (°C)
Agua
334,4
0
Agua
2248,8
100
Aluminio
321
657
Etanol
869,4
78,5
Cobre
175,6
1083
Mercurio
248,2
357
Hierro
200,6
1540
Amoniaco
1.369
233
C ° 0
Punto de fusión B C
Líquido Tiempo
Sólido
En los tramos BC y DE se producen cambios de estado.
Argumento El alcohol etílico se evapora más rápidamente que el agua a la misma temperatura. ¿Cuál de los dos producirá más enfriamiento si se coloca la misma cantidad de sustancia sobre tu piel? Justifica tu respuesta. ©
265
Transmisión del calor
3.3
La transmisión de calor hace hace referencia a la transferencia de energía térmica de un cuerpo a otro, o entre dos partes de un mismo cuerpo. Puede ocurrir por conducción, convección o radiación. 3.3.1 Transmisión
En la transmisión por conducción, el calor se propaga como consecuencia de las interacciones entre las partículas del material. aire caliente
por conducción
La conducción conducción es es el modo en que se transmite la energía térmica en los sólidos. La energía se propaga sin que haya transporte de materia gracias a los choques que se producen entre las partículas “calientes” y sus vecinas. Por ejemplo, si se calienta una barra metálica en uno de sus extremos, el calor se transmite hasta el otro extremo. La razón es que al calentar las primeras partículas, aumenta su energía cinética y, y, con ello, su vibración. Cuando estas partículas chocan con las partículas vecinas, le transmiten parte de su energía y este proceso va avanzando poco a poco hasta que llegue al otro extremo. 3.3.2 Transmisión
por convección
La convección convección es es el modo en que se transmite la energía térmica en los fluidos (líquidos y gases). La energía se propaga porque se produce un transporte de materia. aire frío Mar
aire caliente
aire frío Mar En la transmisión por convección, el calor se propaga con el movimiento de las masas de aire o de líquidos.
Cuando se enciende un fuego, se producen unas corrientes de aire que pueden mover cuerpos muy ligeros como papeles o cenizas. De igual forma sucede cuando se calienta un líquido. Si se colocan en el interior de un recipiente con agua sustancias insolubles y ligeras, como trozos de papel aluminio, y se calientan sobre la hornilla de una estufa, las partículas empezarán a subir y luego descenderán gracias a las corrientes de convección que se forman dentro del líquido. Las corrientes de convección son convección son movimientos de partículas “calientes” con más energía y menos densidad que se desplazan hacia zonas “frías”. Los espacios que dejan estas partículas son ocupados por otras más “frías” y densas que se calientan y reinician el proceso. 3.3.3 Transmisión
por radiación
La radiación radiación es es el modo en que se transmite la energía térmica entre dos cuerpos sin que exista ningún tipo de contacto material entre ellos. Se propaga por medio de ondas electromagnéticas, electromagnéticas, que son ondas portadoras de energía producidas por la vibración de electrones y que se transmiten en el vacío, es decir, sin la necesidad de medios materiales. Por consiguiente, la radiación es la única forma en que se transmite energía térmica en el vacío. La radiación se hace manifiesta cuando se percibe calor procedente de una bombilla aunque no se entre en contacto con ella o; de igual forma sucede cuando los rayos solares calientan los cuerpos. La energía solar recorre el espacio y llega a la atmósfera terrestre. En esta, la radiación no se transmite por conducción, porque el aire es mal conductor y tampoco lo hace por convección, porque porque para que esto ocurra, se necesita primero que la superficie terrestre ya se haya calentado. Luego, si no ocurriera este tipo de transmisión de energía, la vida en la Tierra no existiría.
En la transmisión por radiación, el calor se propaga a través del espacio en forma de radiación electromagnética. 266
©
Otro ejemplo de transmisión de energía calórica por radiación se puede observar en las hornillas eléctricas. Al calentar un metal, este puede llegar a emitir radiación visible, lo que se denomina comúnmente “un metal al rojo vivo”, que produce ondas electromagnéticas (infrarrojas) portadoras de energía.
Componente Procesos físicos
3.3.4 Ley
de Newton sobre el enfriamiento
La ley de enfriamiento de Newton Newton indica indica la rapidez con la que un cuerpo pierde calor ya sea por conducción, convección o radiación por causa de la interacción con otro cuerpo durante un tiempo determinado. Se dice que la pérdida de calor es proporcional a la diferencia de temperatura entre los dos cuerpos. Habitualmente, como ya se mencionó, cuando hay interacción entre dos objetos, el que se encuentra a mayor temperatura cede calor al de menor temperatura lo que representará una reducción de la temperatura del objeto “caliente” y un incremento de la temperatura en el objeto “frío”. Por ejemplo, si una persona sale a la calle en la noche en una ciudad de clima cálido como Cartagena, seguramente no necesitará de una chaqueta porque no se va a “enfriar”, como sí ocurriría si sale a la calle en la noche en una ciudad de clima frío como Bogotá. En este caso, el enfriamiento es más rápido cuando la diferencia de temperatura entre el cuerpo y el ambiente se hace mayor. Esta ley es aplicable también para cualquier objeto que cambie su temperatura, es decir, va en igual proporci proporción ón para los dos objetos, tanto el que se enfría como el que se calienta. 3.3.5 Efecto
invernadero
El efecto invernadero es invernadero es el calentamiento que experimentan las capas bajas de la atmósfera por acción de la energía que la superficie terrestre emite por haber sido calentada por la radiación solar. Gran parte de esta energía emitida por la tierra se escapa al espacio y otra regresa nuevamente hacia la superficie terrestre porque gases como el vapor de agua y el CO2, que se encuentran en la atmósfera, la hacen retornar. El efecto invernadero es muy importante porque, de no existir, la Tierra no lograría mantener una temperatura promedio y permanecería “helada” a unos �18 °C. En la actualidad, este equilibrio se ha venido rompiendo debido a la acumulación de gases tipo invernadero producto de la combustión de combustibles fósiles y otros procesos industriales, lo cual ha derivado en que la atmósfera retenga demasiada energía y, por consiguiente, la Tierra Tierra sea más caliente. Radiación solar reflejada 101,9 W/m2
Radiación solar entrante 341,3 W/m2 239
102
Reflejada por las nubes, los aerosoles y la atmósfera 79 W/m 2
Argumento
Estás en un sitio bastante “caluroso” y quieres disfrutar de una refrescante bebida fría. Para que la lata de bebida se enfríe en el menor tiempo posible, ¿la debes colocar en el congelador o en el refrigerador? O ¿no importa dónde la coloques? Justifica tu respuesta.
Radiación de baja frecuencia saliente 238,5 W/m2
341
79
78
Emitida por la atmósfera Absorbida por la atmósfera
169
40 Ventana atmosférica 30 Gases efecto invernadero
Calor latente Reflejada por la superficie 23
356
161 Absorbida por la superficie
396 17 80 Convección Evapotranspiración Radiación de la superficie Absorción neta 0,9 W/m 2
Radiación retornada
Absorbida por la superficie
Esquema del balance anual de energía de la Tierra (Trenberth, Fasullo y Kiehl de la NCAR —The National Center for Atmospheric Research— en 2008) ©
267
Competencias científicas
4 Dibuja el gráfico temperatura-tiempo. temperatura-tiempo.
INTERPRETO A F
1 Relaciona, por medio de una flecha, los con-
I
ceptos de la columna A con las definiciones de la columna B.
A N
A
Z
Agitación térmica
O
C O M P E T E N C I A S
Energía transmitida de un cuerpo a otro. Movimiento de las partículas en un cuerpo.
Calor
Medida de la agitación térmica. Energía debida a la agitación térmica.
6 Lee la siguiente información. Luego, marca la opción correcta para completar los enunciados 7 a 10. En el gráfico se presenta el proceso de calentamiento de una sustancia pura. Temperatura (ºC) 100 80 60
valor de temperatura de gragra2 Convierte cada valor
40
dos Fahrenheit a Grados Celsius y viceversa, según corresponda.
20 0
Si la temperatura ambiente es de 21 °C, ¿qué temperatura marcaría un termómetro graduado en la escala Fahrenheit? La temperatura de un invernadero es de 95 °F. °F. ¿Cuántos grados Celsius debemos bajar para llegar a 22 °C? Un cultivo de bacterias debe mantenerse a una temperatura constante de 28 °C. Indica cuál sería la temperatura óptima óp tima en grados Fahrenheit. En los últimos años hubo un incremento en la temperatura de la Tierra de 59 a 62,6 °F. ¿A cuánto equivale este incremento en grados Celsius?
3 Analiza la siguiente información y, con base en ella, realiza las actividades 4 a 5. Se calienta azufre (sólido a temperatura ambiente) y se obtienen los siguientes datos: Tiempo (min) 0 2 4 6 7 10 12 268
cia en los minutos 3, 9 y 13, respectivamente? ¿Continuará aumentando la temperatura después del minuto 12?
B
Energía térmica
Temperatura T emperatura
5 ¿En qué estado físico se encontraba la sustan-
©
Temperatura (°C) 23 53 83 113 113 113 130
0
20
40
60
80
100
Tiempo (min)
7 Lo que caracteriza un cambio de estado de la materia es la absorción o la pérdida pérdid a de calor. el mismo punto de fusión y ebullición. que la temperatura no cambia mientras pasa a otro estado. que los cambios son progresivos.
8 El tiempo que permanece la sustancia en estado sólido sin alteraciones es de 5 min.
10 min.
15 min.
20 min.
9 La temperatura a la cual se produce el cambio de estado sólido a líquido es de 100 °C.
60 °C.
0 °C.
20 °C.
10 La temperatura a la cual se produce el cambio de estado líquido a gaseoso es de 100 °C.
80 °C.
0 °C.
20 °C.
Identificar •
11 Observa las imágenes y explica cómo se propaga el calor en cada caso. cas o.
Indagar •
Explicar •
Comunicar
15 ¿En cuál de los dos vasos crees que las moléculas de agua se moverán más rápido? ¿En cuál de los dos habrá mayor energía interna?
16 ¿Cuál de los dos vasos requerirá más calor para aumentar la temperatura en 1 °C?
17 Se tienen dos cuerpos, uno a �20 °C y otro a 0 °C.
0 °C
�20 °C
Responde: ¿Se podría decir que se propaga calor del cuerpo a 0 °C al cuerpo de 220 °C? Justifica tu respuesta.
ARGUMENTO
18 Observa la siguiente ilustración.
Analiza cada enunciado y responde las preguntas sugeridas.
12 Durante un día soleado en la playa, la arena puede alcanzar altas temperaturas, pero durante la noche su temperatura disminuye considerablemente. considerablemen te. Responde:
FRÍA
TIBIA
CALIENTE
¿Por qué crees que sucede sucede esto? ¿Qué indica esto con respecto al calor específico de la arena?
13 Los habitantes de los desiertos en el Medio Oriente se visten siempre con prendas muy sueltas que los cubren de pies a cabeza, Muchos están acostumbrados a viajar grandes distancias atravesando desiertos enteros. Durante el día, la temperatura puede llegar a 45 °C, pero durante la noche, puede bajar drásticamente.. Responde: drásticamente ¿Qué ventajas tendrá tendrá vestirse así en el desierto? desierto? ¿Cómo crees que estas personas aprovechan las formas como se transmite el calor? c alor?
14 Analiza la siguiente situación y responde las preguntas 15 a 16. Imagina dos vasos de agua: uno lleno y otro ocupado hasta la mitad. El agua se encuentra a la misma temperatura en ambos vasos. Responde y justifica cada una una de de tus tus respuestas. respuestas.
Luego que el niño saque las dos manos de cada recipiente, ¿sentirá la misma temperatura en ambas manos al ponerlas en agua tibia? Justifica tu respuesta y verifícala realizando la experiencia. Desarrollo compromisos personales y sociales
PROPONGO 19 Analiza la siguiente información. Las centrales termoeléctricas son sitios donde se obtiene energía eléctrica a partir de vapor de agua o aire sometido a altas presiones presi ones y que, al ser expulsado hace mover las aspas de un generador de corriente eléctrica.
20 Consulta sobre una termoeléctrica colombiana para conocer cómo funciona y explica, las ventajas y las desventajas de utilizar energía térmica en la generación de energía eléctrica. ©
269
Entorno físico
Principios de termodinámica
4.
Lexicón
La termodinámica es la rama de la física que estudia el calor y su transformación en energía mecánica.
Termodinámica: esta palabra
está formada por los vocablos latinos thermos que significa “caliente” y dinamos que significa “fuerza o poder” poder ”, más el sufijo -ico que significa sig nifica “relativo a” a”..
La termodinámica como ciencia se desarrolló a principios del siglo XIX, ya que hasta esa época no se podía hacer un análisis minucioso debido a la poca información que se tenía de las partículas atómicas y sus reacciones. Las nociones básicas de la termodinámica se elaboraron pensando en el calor como una forma de energía y teniendo en cuenta la conservación de la misma, al igual que en los sistemas mecánicos. Los efectos del calor sobre los cuerpos son varios, pero una de las aplicaciones más importantes parte de que el calor, como energía, se puede transformar en trabajo mecánico. Para convertir calor en trabajo mecánico es necesario usar una sustancia, la cual puede ser un gas, un líquido o una mezcla de ambos. En relación con este tema, se abordará inicialmente el estudio de los gases.
Los gases
4.1
Un gas es un tipo de materia cuyo volumen es sensible a los efectos de la temperatura y la presión. Los gases poseen características que dependen de su composició composición n molecular. 4.1.1 Gas
ideal
Un gas ideal es ideal es aquel que se encuentra en condiciones de muy baja presión, de tal forma que sus átomos o moléculas están aparentemente “libres”. Ello se debe a que las fuerzas de atracción intermolecular son prácticamente nulas y el diámetro de sus moléculas es muy pequeño comparado con las distancias interatómicas; además, los choques que realizan las moléculas son perfectamente elásticas. Bajo estas Gay-Lussac, ssac, ley de Boyle, condiciones, se pueden enunciar tres leyes: ley de Charles y Gay-Lu ley de Avogadro y ley de los gases ideales . Al tomar un globo sin inflar y calentar el aire en su interior, se observa cómo el calor se transforma en trabajo mecánico.
La ley de Charles será: V 1 V 2 � T 1 T 2 A mayor temperatura, mayor será el volumen del gas p 2 p T T
Situación 1 270
©
V 2
V
Situación 2
4.1.1.1 Ley de Charles
y Gay-Lussac.
Esta ley relaciona el volumen con la temperatura a presión constante, lo que determina una relación de proporci proporcionalidad onalidad directa entre ambas variables, es decir decir,, si la temperatura aumenta entonces el volumen también aumenta y viceversa. Esta ley se representa mediante la siguiente ecuación: V � k T V � volumen T � temperatura
El aumento del volumen de un gas con respecto a la temperatura depende de la cantidad y el tipo de gas; sin embargo, todos los gases que se encuentren a una temperatura de �273 °C tienen un volumen nulo. La temperatura de �273 °C se denomina cero absoluto en la escala Kelvin y Kelvin y se considera como el punto de inicio de la escala. Debido a que el volumen de un gas u otra sustancia no puede ser cero o negativo, la escala Kelvin será la mejor forma de expresar la menor temperatura posible. Por lo general, esta ley se aplica en dos situaciones diferentes, como se observa en la figura.
Componente Procesos físicos
4.1.1.2 Ley de Boyle
Si la temperatura de un gas se mantiene constante, el volumen que ocupa es inversamente proporcional proporcional a la presión que se ejerce. Esta ley se representa mediante la siguiente ecuación: pV � k
Si se tiene un cilindro con un gas encerrado como se observa en la figura A, si se aumenta la presión, el volumen disminuye; es decir que la relación es inversamente proporcional.
A
La ley de Boyle será: p1V 1 � p2V 2
A mayor presión, menor será el volumen del gas. p 1 p 2 T
V 1 T
4.1.1.3 Ley de Avogadro
El volumen que ocupa un gas, cuando la presión y la temperatura se mantienen constantes, es proporcional al número de átomos o moléculas que lo forman. Esta ley se representa mediante la siguiente ecuación:
V 2
Situación 1
Situación 2
V � kn
Donde n es la cantidad de sustancia que se expresa en moles.
Ley de Avogadro
4.1.1.4 Ley de los gases ideales
Las tres leyes anteriores se pueden combinar para expresarse bajo una sola, denominada ley de los gases ideales. Esta ley se resume así: pV � nRT
V � kn
cuando p y T son son constantes
p � 1 atm
GAS
Donde: p � presión en pascales (Pa) V � volumen en m3 n � número de moles (mol) T � temperatura en grados Kelvin (K) R � constante universal de los gases
En otras palabras, la constante de los gases ideales es una constante física que articula entre sí diversas funciones de estado termodinámicas, y establece esencialmente una relación entre la energía, la temperatura y la cantidad de materia. Estado de un gas Todo gas está caracterizado por tres variables termodinámicas: presión (p), volumen (V), temperatura (T), que determinan un estado termodinámico; si cualquiera de ellas sufre un cambio, afectará a las otras variables. Cuando el número de partículas de un sistema permanece constante, entonces los diferentes estados por los que puede pasar el sistema están relacionados por: p1
T � 300 K
p � 1 atm
GAS T � 300 K
El volumen de un gas es proporcional a la cantidad de partículas contenidas en el recipiente.
V 1 p2 v 2 p3 v 3 � � � nR � constante T 1 T 2 T 3
Energía interna en un gas ideal En un gas ideal, la energía interna es la suma de la energía cinética promedio de todas las moléculas que lo forman. Esta energía está en relación directa con la temperatura Kelvin. En un gas monoatómico, la energía interna es poca debido a que los átomos del gas solo tienen translación. En un gas diatómico, los átomos, además de trasladarse rotan, lo que incrementa su energía cinética. Y, en un gas poliatómico,, los átomos se trasladan, rotan y vibran; eso implica más energía cinépoliatómico tica y, y, por lo tanto, que poseen mayor energía interna que los otros tipos de gases.
A una misma temperatura, las moléculas poseen más energía interna cuando tienen más grado de libertad o de movimiento. ©
271
Primera ley de la termodinámica
4.2 W realizado realizado sobre el sistema (�)
Q absorbido ( �)
La primera ley de la termodinámica corresponde a la conservación de la energía aplicada a un sistema que transforma calor en trabajo y viceversa. Esta ley afirma: Cuando el calor fluye hacia o desde un sistema, el sistema gana o pierde una cantidad de energía igual a la cantidad de calor transferido.
W realizado por el sistema (�)
Por ejemplo, ejemplo, en el proceso de expansión de un gas, sucede que el calor Q transfe transferido al gas se transforma en trabajo mecánico W , más un aumento en la energía interna U de de dicho gas.
Q cedido (�)
Q � W � U
La misma ley se puede aplicar a un proceso de compresión. Sin embargo, el trabajo se considera negativo. Cuando un gas libera calor calor,, también se considera negativo. El criterio de los signos que se aplica en la expresión de la primera ley de la termodinámica se expresa en la siguiente tabla: Proceso
Signo
Trabajo Traba jo (W ) realizado por el sistema
�
Trabajo Traba jo (W ) realizado sobre el sistema
�
Calor (Q) entregado al sistema (calor absorbido)
�
Calor (Q) liberado por el sistema
�
Cuando no se produce cambio en la energía interna (U � 0), como ocurre en la expansión de un gas perfecto a temperatura constante, el trabajo debe ser igual al calor absorbido; es decir: Q � W
4.2.1 Procesos
termodinámicos
Los procesos termodinámicos que se observan en el comportamiento de los gases cuando están sometidos a temperatura, presión, calor y volumen constante pueden ser isotérmicos , adiabáticos , isobáricos e e isocóricos . Proceso isotérmico (T � constante)
Ocurre cuando un gas absorbe calor y se expande manteniendo constante la temperatura. p p1
1 2
p2 Q
v 1
v 2
1
isoterma v
2
p2 v 1
Al ser constante la temperatura, entonces no hay variación de la energía interna; es decir, U � 0.
©
Cuando un gas sufre expansión o compresión rápida, se considera una transformación adiabática. La cantidad de calor que absorbe o cede este proceso al sistema es tan pequeña que se considera Q � 0 p p1
W
272
Proceso adiabático (Q � 0)
v 2
isoterma caliente v isoterma fría
W
Suponiendo que el gas se expande, el trabajo W realizado realizado es positivo, pero la energía interna U disminuye disminuye y, por tanto, también su temperatura. Aplicando la primera ley, tenemos W � �U .
Componente Procesos físicos
Proceso isobárico (p � constante)
El gas se expande o se comprime manteniendo la presión constante. p
1
2
Proceso isocórico (V � constante)
El volumen del gas permanece constante mientras absorbe calor; el gas aumenta su presión realizando un proceso que se llama isocórico o isométrico. El trabajo es nulo y el calor absorbido por el gas se transforma en energía interna.
isóbara v 2
v 1
p
v
p1
Q
p2
isóbara
2 1 v
Q
W
4.2.3 Ciclos
W�0
termodinámicos y máquinas térmicas
Hasta el momento se ha visto cómo una sustancia gaseosa puede ayudar a convertir el calor en trabajo. Sin embargo, para que este trabajo sea útil y continuo, es necesario que la sustancia gaseosa realice procesos de expansión y comprensión en forma continua. Estos procesos se realizan en ciclos cerrados y abiertos en el interior de un sistema que se denomina máquina térmica . Ciclos termodinámicos Constituyen un conjunto de procesos de expansión y compresión que permiten que la sustancia de trabajo retorne a su estado inicial, después de haber realizado un trabajo neto externo conocido como trabajo útil. útil. 4.2.4 Transformación
entre calor y trabajo
Observa la siguiente ilustración. Émbolo
Calor
Émbolo
Calor
h
Al calentar con un mechero mechero los gases que hay hay en el interior del cilindro, el émbolo se desplaza hacia la derecha, tirando de la cuerda y haciendo que el objeto suba una altura h. La energía térmica ha producido un trabajo mecánico cuyo resultado es que el cuerpo gana energía potencial. ©
273
4.2.4.1 Equivalencia entre calor y trabajo
Termómetro Termó metro
Eje
Agua Aspas Pesas
m
m
h
h
Experiencia de Joule. Las dos pesas caen a la vez, moviendo las aspas.
En 1845 el físico británico James Prescott Joule (1818-1889) realizó un experimento para determinar la equivalencia entre el calor y el trabajo. Con un dispositivo similar al de la figura, Joule midió el aumento de temperatura del agua cuando las pesas descienden una determinada altura. Como se trabaja en un sistema aislado, todo el trabajo de las pesas se transforma en el calor que recibe el agua (W � Q). Joule encontró que siempre que el agua recibía 1 caloría, las pesas realizaban un trabajo de 4,18 J. De acuerdo con lo anterior, se llama equivalente mecánico del calor a la relación entre el trabajo realizado y el calor que puede producir: 1 cal � 4,18 J; o bien 1 J � 0,24 cal. 4.2.5 Máquinas
térmicas
Las máquinas térmicas son dispositivos que pueden efectuar un trabajo mecánico a partir de la energía térmica. Dependiendo de cómo se obtenga la energía se tienen dos tipos de máquinas térmicas: de combustión externa y y de combustión interna . Máquina de vapor o de combustión externa Es un motor que transforma la energía de una cantidad de vapor de agua en trabajo mecánico-cinét mecánico-cinético. ico. reservorio
escape 1 atm 100 ˚C
caldera vapor
H2O
trabajo bomba
calor
El ciclo de la máquina de vapor sigue estos pasos: 1. La bomba eleva la presión del agua en un proceso isocórico. isocórico. 2. El agua se transforma en vapor y se expande isobáricamente. 3. El vapor ingresa ingresa al cilindro cilindro y se expande expande adiabáticamente. 4. El vapor es comprimido isobáricamente y expulsado a la atmósfera.
máquina
Motor de explosión o de combustión interna En este tipo de máquinas, la combustión se realiza en el interior de un cilindro donde se produce el trabajo mecánico. Por ejemplo, los automóviles llevan un motor de cuatro tiempos, cuyo esquema de funcionamiento es el siguiente. 1. Admisión: la mezcla de gasolina-aire entra por la válvula de admisión, que se abre mientras el pistón baja. bujía válvula de admisión
válvula de escape
2. Compresión: el pistón pistón sube sube y comprime la mezcla.
3. Explosión: salta salta la chispa en 4. Escape: se abre la válvula válvula la bujía y la mezcla explota. de escape y los gases son Los gases producidos lanzan expulsados. el émbolo hacia abajo, transmitiendo el movimiento a la biela. salida de gas
cilindro pistón biela
274
©
explosión de la mezcla
Componente Procesos físicos
Máquinas frigoríficas Las neveras son máquinas térmicas que funcionan de forma inversa a las máquinas de vapor o los motores; se les denomina máquinas frigoríficas porque frigoríficas porque trabajan entre dos focos de temperatura: el foco caliente y el foco f oco frío. La nevera, mantiene una temperatura baja en el interior de un recinto. Consta de una cámara herméticamente cerrada en la parte posterior, en la cual hay un circuito que contiene un líquido llamado refrigerante. Este líquido se desplaza por el circuito debido a la acción del comprensor. Al llegar el líquido refrigerante al congelador del refrigerador refrigerador,, se transforma en gas que absorbe calor del interior del recinto. Posteriormente, Posteriormente, el gas se comprime y se convierte nuevamente en líquido. El proceso se repite nuevamente mientras el refrigerador esté conectado a la red eléctrica. El refrigerador requiere de trabajo externo W ext ext para extraer calor Q abs abs y expulsar calor Q exp exp al foco caliente. Foco caliente ( T C C)
Congelador
Qabs
Máquina
W
Qexp
Foco frío ( T F F )
Compresor
Circuito del líquido refrigerante
Energía
Segunda ley de la termodinámica
3.3
La segunda ley de la termodinámica fue enunciada por Kelvin-Planck, y establece lo siguiente: No es posible, por ningún proceso cíclico, que el calor absorbido por una máquina sea transformado completamente en trabajo útil.
Los seres humanos siempre han tratado de mejorar el rendimiento de las máquinas. Sería ideal que una máquina transformara toda la energía que absorbe en trabajo útil, pero no es posible. La experiencia demuestra que no hay ninguna máquina que tenga el 100% de eficiencia. 3.3.1 Conservación
Energía térmica (energía degradada)
Energía útil
y degradación de la energía
La transformación inversa (conversión de energía mecánica en calor) es aún más frecuente. Cada vez que se realiza un trabajo mecánico, una parte se transforma en energía térmica: es la energía que se pierde por rozamiento. Así, aunque en el proceso la energía se conserva, una parte se transforma en calor; es energía que se degrada, pues ya no se puede aprovechar. Sucede Sucede esto, por ejemplo, cuando se golpea repetidamente una pieza metálica con un martillo y se observa que se calienta, o cuando se tira de un cuerpo con una cuerda y las manos se calientan con el roce.
La licuadora realiza un trabajo mecánico (energía útil), pero una parte de la energía se pierde por rozamiento. ©
275
Competencias científicas
INTERPRETO A
Analiza cada situación y luego, subraya la opción correcta.
F I
1 Un termo consta de dos recipientes separa-
A
dos entre sí por una zona de vacío. Cada recipiente, así como la zona de vacío, evita una forma de propagación de calor. De acuerdo con lo anterior, los recipientes del termo cumplirán la función de:
N Z O
C O M P E T E N C I A S
4 Une, con una línea, el proceso termodinámico con la circunstancia que lo caracteriza. Proceso adiabático
Temperatura Temperatura constante
Proceso isobárico
Volumen constante
Proceso isocórico
Presión constante
Proceso isotérmico
Calor 5 0
propagar el calor calor más rápido de lo normal. aislar térmicamente del interior las sustancias más calientes del exterior. aislar térmicamente del exterior las sustancias que hay en el interior, manteniendo manteniendo la temperatura.
5 Observa las siguientes imágenes y marca con una 7 aquellas que muestran máquinas cuyo funcionamiento se basa en ciclos termodinámicos.
conducir el calor lentamente. lentamente.
2 Un estudiante pregunta a su profesor por qué al abrir una ventana de su casa se siente como el frío ingresa a su cuerpo. La explicación que debe darle el profesor es que: el aire tiene una temperatura temperatura menor que la de su cuerpo; por eso se propaga más rápido. la temperatura de su cuerpo, cuerpo, por ser mayor mayor que la del ambiente, se disipa al exterior exterior.. el calor de su cuerpo se propaga al medio ambiente, por ser la temperatura del cuerpo mayor que la del aire. la temperatura del del aire es igual a la temperatura del cuerpo.
3 El científico Humphry Davy (1778-1829) realizó la siguiente experiencia: frotó dos trozos de hielo uno contra otro y observó que se fundían. Este hecho puede explicarse porque: un fluido invisible invisible llamado calórico, que penetra en los cuerpos, c uerpos, aumenta su temperatura.
©
Calor y temperatura.
el calor suministrado por el frotamiento entre los trozos de hielo hace que se derritan.
Primera ley y segunda segunda ley de la termodinámica.
el calor suministrado por las manos hace que se derritan los trozos de hielo.
Trabajo realizado realizado por el sistema y trabajo realirealizado sobre el sistema.
el aire alrededor de los trozos de hielo absorbe la energía y los hielos se derriten. 276
semejanzas y las las diferencias diferencias entre: 6 Explica las semejanzas
Energía interna y calor.
Calor cedido y calor absorbido. absorbido. Ciclo termodinámico termodinámico y máquina térmica.
Identificar •
7 Lee el siguiente texto y, con base base en el, realiza
Indagar •
Explicar •
Trabajar en equipo
Desarrollo compromisos personales y sociales
las actividades 8 y 9. El motor diésel funciona gracias a las grandes presiones que se producen en la cámara del combustible. Estas ocasionan la explosión que hace mover el pistón. Este motor funciona de manera similar al motor de gasolina aunque la explosión de combustible se da por medio de una chispa. Una de las ventajas del motor diésel sobre los motores convencionales es que consume menos combustible, aunque su costo es mayor. Además, el motor tipo diésel tiene una mayor eficiencia: entre 30 y 45%; mientras que la del motor a gasolina es tan solo del 25 al 30%.
PROPONGO 14 Lee la siguiente información. i nformación. Aplicaciones de las centrales termoeléctricas
8 ¿Qué diferencias encuentras entre el motor de gasolina y el motor diésel?
9 ¿Qué significa que la eficiencia del motor diésel sea entre 30 y 45%? Explica tu respuesta.
ARGUMENTO 10 Analiza la siguiente situación y, con base en ella responde las preguntas 11 y 12. Imagina que tienes hambre y en la nevera de tu casa solo hay filetes de carne congelados. Tu mamá te dice que tomes un filete, lo envuelvas en papel de aluminio y lo dejes reposar sobre el platón del lavaplatos para que se descongele más rápido.
11 ¿Por qué crees que tu mamá te da este consejo?
12 ¿Por qué consideras que ella no te dice que lo envuelvas en plástico o que lo dejes al aire libre?
13 Cuando hay días soleados o en lugares donde la temperatura ambiente es mayor a 25 °C, cocinar es una tarea molesta por el incremento de la temperatura en la cocina. ¿Consideras que si se dejara el congelador abierto mientras se cocina, ayudaría a mantener una temperatura agradable en dichos lugares? Explica tu respuesta a partir de las leyes de la termodinámica.
Las centrales termoeléctricas son la principal fuente de electricidad para ciudades enteras, donde se benefician: Las industrias, para fabricar productos de todo tipo y satisfacer la demanda externa, y producir de esta manera la riqueza de la nación y el aumento del Producto Interno Bruto (PIB). La sociedad en su conjunto, conjunto, pues en en la actualidad no hay dispositivo tecnológico que no requiera de la energía eléctrica; su consumo trae bienestar a todas las personas.
15 Reúnete con un grupo de compañeros y discutan si son ciertas las afirmaciones del texto anterior. anter ior. Para ello, consulten sobre las siguientes preguntas: ¿Son contaminantes contaminantes las centrales termoeléctricas? ¿Son más amigables con el medio medio ambiente que las centrales hidroeléctricas? A pesar que Colombia es un país productor de petróleo crudo, debe importar petróleo refinado para utilizarlo en las centrales termoeléctricas por lo cual los costos de generación de energía se elevan considerablemente. ¿Qué aspectos de la economía del país se deberían modificar para que se pudiera optimizar el uso de las centrales termoeléctricas? ©
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SOY CIENTÍFICO CIENTÍF ICO NATURAL NATURAL Transforma la energía que posee un maní maní Objetivo
Evidenciar la liberación de energía que se produce gracias a la combustión de un alimento.
Preguntas problematizadoras ¿El calor es una forma de energía que pasa de un cuerpo a otro? otro? ¿Qué pasaría si los cuerpos no absorbieran o cedieran calor? ¿Qué sucede con la materia cuando libera su energía interna?
Conceptos clave
Energía, calor, temperatura y caloría. Materiales
Un puñado de maníes maníes con cáscara 5 corchos (de los que se utiliza para tapar botellas) 1 encendedor 5 agujas agujas largas largas de metal punta punta roma roma 1 alambre alambre grueso de 30 cm de largo 1 tarro de metal grande (sin (sin etiqueta y sin tapas superior e inferior) 1 tarro pequeño de leche condensada vacío (sin etiqueta ni tapa superior) 1 martillo 1 clavo largo y grueso Termómetro Agua 1 baldosín mediano Metodología de trabajo
En equipo.
En este laboratorio observarán una transformación de energía al “quemar” un alimento y comprenderán cómo esta energía que se libera es capaz de elevar la temperatur temperaturaa del agua. Procedimiento 1. Introduzcan una aguja, en un corcho, de modo que la punta sobresalga por el otro extremo. 2. Claven un maní en la punta de la aguja. Si se rompe, intenten con otro. Comprueben que al colocar el corcho con la aguja y el maní incrustado, quede estable sobre la mesa. 3. Usando el martillo y el clavo, hagan varios agujeros alrededor de uno de los bordes del tarro grande de metal formando una línea. Luego, hagan dos agujeros en el borde superior del tarro pequeño, uno a cada lado, de modo que queden exactamente opuestos. 4. Deslicen el alambre por los agujeros del tarro pequeño y luego, llenen el tarro con agua.
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Acción de pensamiento: realizo comprobaciones y saco conclusiones de los e xperimentos que realizo.
Me aproximo al conocimiento como científico natural
5. Coloquen el termómetro dentro del agua y registren la temperatura.
Resultados obtenidos: 1. Completen la siguiente tabla con los datos obtenidos: Temperatura Temperatura Experimento inicial del final del Observaciones agua agua
Con 1 maní Con 2 maníes Con 3 maníes Con 4 maníes 6. Pongan el corcho que prepararon con el maní sobre el baldosín y, con mucho cuidado, enciendan el maní incrustado en la aguja (este paso puede tomar tiempo).
Análisis de resultados Analicen y respondan
1. ¿Para qué se hace una línea de agujeros en el borde del tarro grande? 2. ¿Funcionaría el experimento si no se hicieran estos agujeros?, ¿por qué? 3. ¿Qué sucedió con la temperatura del agua al final de las experiencias?
7. Apenas el maní se haya encendido, coloquen el tarro grande encima. Luego, equilibren el alambre, de modo que el tarro pequeño quede exactamente sobre la llama del maní. 8. Una vez que el maní haya sido consumido por la combustión, introduzcan el termómetro en el agua del tarro grande y registren nuevamente su temperatura. 9. Repitan el experimento cuatro veces, pero incrustando no 1 sino 2, 3 y 4 maníes en e n los corchos (en cada experiencia deben colocar la misma cantidad de agua, a la misma temperatura inicial).
4. ¿Por qué ocurrió este cambio de temperatura en el agua? ¿Qué ué sucedería al repetir la experiencia con 8 maníes? 5. ¿Q ¿Qué ué tipo de energía tiene el maní? 6. ¿Q
7. ¿Qué sucedió con esta energía al consumirse el maní?, ¿se ha transformado? Expliquen. 8. ¿Qué sucedió con la materia que conformaba el maní después de hacerlo arder? Expliquen. Conclusiones 1. ¿Se puede afirmar que siempre que se transfiere calor a un cuerpo este aumenta su temperatura? Justifiquen su respuesta. 2. ¿Por qué un solo maní no eleva considerablemente la temperatura del agua? 3. ¿Cómo pueden comparar la anterior práctica experimental con lo que ocurre en el metabolismo celular cuando se “queman los alimentos”? Profundiza Escribe una pregunta que sirva como punto de partida para una nueva investigación, por ejemplo, ¿liberarían la misma cantidad de energía otras clases de semillas? ©
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