cienciasfísicas2

Bernarda Segurola

Graciela Saravia

Marcelo SZwarcfiter

Andrea aMoeDoClaudia uZal

Ciencias Físicas 2ISBN: 978-9974-8241-2-6

© Editorial Contexto Todos los derechos reservados Montevideo - Uruguay Tel./Fax: 2901 9493

1a Edición - Setiembre 2010

Por más información y contenidos adicionales, visite: www.editorialcontexto.com.uy

Diseño Gráfico: grafica|mente info@graficamente.com.uy

Equipo Diseño: Fernando Saravia Armado: Carina Custodio

Impreso en Mastergraf.Gral. Pagola 1823 - Montevideo - UruguayDepósito Legal Nº 353.804/10Comisión del Papel. Edición amparada al Decreto 218/96.

Todos los derechos reservados. Prohibida la reproducción total o parcial de este libro,por ningún medio electrónico o mecánico, incluyendo fotocopiado, grabado ocualquier sistema de almacenaje o recuperación, sin la autorización explícita del editor.

Siete años han pasado desde la primera edición de “Ciencias Físicas 1 y 2”.

Teniendo en cuenta la experiencia adquirida en este tiempo, el “feedback”, ese “ida y vuelta” proveniente de docentes, alumnos y padres, sumado a la reformulación programática del año 2006, nos ha generado la necesidad de presentar una nueva versión de nuestros textos.

Hemos mantenido los lineamientos generales de la anterior edición, mejo-rando, ampliando y actualizando los temas.

En los textos se tratan todos los contenidos del programa vigente, utilizan-do un lenguaje riguroso pero a la vez accesible para los estudiantes que cur-san los primeros años del Ciclo Básico.

Además del desarrollo teórico, se plantean numerosas actividades prácti-cas para incentivar el trabajo experimental en forma sistemática y ordenada.

Al final de cada capítulo se han incluido diversas actividades que permi-tan, entre otros objetivos, la autoevaluación del proceso de aprendizaje:

lecturas de actualidad científica, que amplían y contextualizan los contenidos programáticos en una visión que no se limita al concepto abstracto y alejado de toda aplicación práctica. Otro objetivo es pro-mover el hábito de la lectura y generar un punto de partida de posibles debates.

temas de investigación, que se sugieren de manera complementaria con los objetivos de las lecturas.

preguntassencillas que orienten el estudio y promuevan el repaso de los conceptos estructurantes de cada capítulo.

problemas, situaciones a resolver donde mediante razonamientos sen-cillos, tanto que impliquen o no cálculos matemáticos, se sustente el proceso de internalización de los conocimientos.

Agradecemos los valiosos aportes que nos han hecho llegar a los largo de estos años y les recordamos que pueden enviarnos todos sus comentarios, consultas y sugerencias a autores@editorialcontexto.com.uy

Los Autores

prólogo

Capítulo 1Sistemas materiales 9

Introducción.........................................................9 • Materia 10 • Estados físicos de la materia 10 • Características macroscópicas

de los estados de la materia 11 • Sistemas materiales y clasificación 13 Sistemasabiertos,cerradosyaislados......13 Sistemashomogéneosyheterogéneos.....14

Lectura:Universo oscuro.....................................16

Investiga..................................................................17

Preguntas................................................................17

Problemas...............................................................18

Capítulo 2Propiedades de los sistemas materiales 19

• Primera clasificación 19 PropiedadesExtensivas..................................19 PropiedadesIntensivas...................................20 PropiedadesCaracterísticas.......................... 21 • Segunda clasificación 22 PropiedadesFísicas..........................................22 PropiedadesQuímicas....................................22 • Propiedades Mecánicas 22 Tenacidad,Dureza,Plasticidad, Ductilidad,Maleabilidad,Elasticidad........23

Experimento1.......................................................24 • Aplicaciones de la ley de Hooke 26 • Dilatación térmica 28

Experimento2.......................................................30 • Escalas termométricas 31 EscalaCelsius......................................................... 31 EscalaKelvin..........................................................33

• Conductividad térmica 35

Experimento3.......................................................35 • Conductividad eléctrica 36

Experimento4.......................................................36

Lectura:¿Cuál es la temperatura máxima que el ser humano puede soportar?.................38

Investiga..................................................................39

Preguntas................................................................40

Problemas...............................................................42

Capítulo 3Cambios de estado de la materia 46

• Cambios de estado 46 • Fusión y Solidificación 47

Experimento1.......................................................47 • Ebullición y Condensación 50

Experimento2.......................................................50 Puntodeebulliciónypresiónexterior..... 51 • Ebullición y Evaporación 54

Lectura:Gas Natural Licuado.............................56

Investiga..................................................................57

Preguntas................................................................58

Problemas...............................................................59

Capítulo 4Energía, Calor y Trabajo 62

• Energía y Trabajo 63

Experimento1.......................................................64 • Trabajo y Energía Mecánica 65 EnergíaCinética...............................................65 EnergíaPotencial.............................................66 EnergíaPotencialgravitatoria.....................66 EnergíaPotencialelástica.............................66

contenido

Ciencias Físicas • 2º C.B.6

• Conservación de la Energía Mecánica 67 • Energía y Calor 67

Experimento2.......................................................68 • Calor 69

Experimento3....................................................... 70 • Calor, temperatura y sensaciones térmicas 72 • Unidades de energía 73 Definicióndecaloría.......................................73

Lectura:Si la energía se conserva, entonces... ¿por qué necesitamos cada vez más recursos energéticos?...................................76

Investiga..................................................................77

Preguntas................................................................78

Problemas...............................................................79

Capítulo 5Calor 81

• Calorimetría 81

Experimento1.......................................................82

Experimento2.......................................................84 • Calor Específico 86 • Conservación de la energía 91 • Estudio de una relación

inversamente proporcional 93

Lectura:Influenciadelmarenelclima.........95

Investiga..................................................................96

Preguntas................................................................97

Problemas...............................................................99

Capítulo 6Recursos energéticos 103

• Evolución histórica 103 • Clasificación de las fuentes de energía 105 • Matriz energética del Uruguay 106 Petróleoysusderivados..............................106 Gasnatural......................................................107 Leñaycarbónvegetal..................................107

Experimento1.....................................................108 Transformacióndebiomasa....................... 110 Electricidad...................................................... 110 Medidadelaenergíaeléctrica.................. 112 • Impactos ambientales globales

de la producción de energía 112 ¿Ysiusamosfuentesdeenergía renovables?...................................................... 113

Experimento2..................................................... 114

Experimento3..................................................... 115

Experimento4..................................................... 116

Lectura:El efecto invernadero y el ciclo del carbono.......................................... 117

Investiga................................................................ 118

Preguntas.............................................................. 119

Actividades...........................................................120

AnexosAnexo 1: Equivalencia de Unidades 122

Anexo 2: Medidas 123 • ¿Existe la medida exacta? 123 Apreciacióndeuninstrumento................123 Estimacióndeunamedida.........................124 • Cifras Significativas 125 • Operaciones y cifras significativas 126

72º C.B. • Ciencias Físicas

Energía, calor y trabajo capítulo

4La palabra energía es conocida por todos nosotros y usada en dife-

rentes situaciones. Es frecuente referirse a ella como un recurso natural

con valor económico y necesario para el desarrollo de los países.

Todos los días en los informativos se habla del precio del petróleo, el

nivel de agua de nuestras represas hidroeléctricas, la crisis energética o

las fuentes de energías alternativas.

Estos temas se analizarán con profundidad en el capítulo 6, ahora

trataremos el concepto de energía desde un punto de vista físico.

ENERGÍA es la capacidad de un sistema para realizar trabajo.

¿Cuándo se realiza trabajo?

Se realiza TRABAJO cuando al aplicar una fuerza sobre un sis-

tema éste se mueve.

Cuando decimos que el sistema se mueve, no solo nos referimos al

cambio en su posición, sino también a las deformaciones producidas

por la fuerza.

Si la fuerza deja de actuar no se realiza trabajo aunque el sistema siga

en movimiento. Por otra parte, si actúa una fuerza sobre el sistema y

éste no se mueve, tampoco se realiza trabajo.

Fig. 1. El viento realiza trabajo si

la fuerza que ejerce sobre las aspas logra

moverlas.

62 Capítulo 4 • Energía, calor y trabajoCiencias Físicas • 2º C.B.

conoce tu libro

Situacionesaresolverapartir

delosconceptosinternalizadosy

deutilidadcomoinstanciadeevaluación.

Portadadecapítulo:cadaunoseidentificaconuncolor.

Usocorrectodeltermómetrodelaboratorio

Objetivo

Medir la temperatura de un líquido contenido en un vaso de Bo-hemia.

Procedimiento

Extrae con cuidado el termómetro de su estuche, sosteniéndolo por la parte superior sin tocar el bulbo (fig. 30).

La sustancia termométrica marca el valor de la temperatura ambien-te, que es la del aire que rodea al bulbo.

No debes agitarlo para que la sustancia termométrica descienda pues el capilar del termómetro de laboratorio es recto y el mercurio puede “subir” o “bajar” por él sin impedimento.

Sumerge el bulbo del termómetro en el líquido contenido en el vaso de Bohemia y observa que, casi inmediatamente, la sustancia termo-métrica “sube” por el capilar (se dilata).

Cuando no se aprecien más cambios en el nivel de la sustancia termo-métrica, realiza la lectura de la medida de la siguiente forma: • Mantén el bulbo sumergido en el líquido sin tocar el fondo del vaso (fig. 31).• Enfrenta tus ojos a la escala de manera tal que sea posible trazar una recta imaginaria tangente al menisco de la sustancia termo-métrica (fig. 32).

Anota la medida teniendo en cuenta la apreciación de la escala (1ºC). Dividiendo “a ojo” la apreciación, se obtiene la estimación de la me-dida: 0,5ºC.

La expresión de la temperatura medida en la fig. 32 es:

t C C= ±87 5 0 5, ,ο ο o también t C= ±( , , )87 5 0 5 ο

Experimento2

Fig. 30. El termómetro debe sos-tenerse por la parte superior, sin tocar el bulbo.

Fig. 31. Para medir la temperatu-ra el bulbo debe estar sumergido dentro del líquido.

Fig. 32. La lectura correcta se reali-za considerando la tangente al punto su-perior del menisco.

90

80

70

30 Capítulo 2 • Propiedades de los sistemas materiales Ciencias Físicas • 2º C.B.

1) Elabora una lista de aparatos, máquinas y vehículos que utilices ha-

bitualmente. a) ¿Qué tipo de energía utiliza cada uno?

b) ¿Consideras algún tipo de energía más importante para la activi-

dad humana? c) ¿Qué tipo de energía crees que es la que más se consume en tu

entorno? d) De los tipos de energía que mencionaste, ¿cuáles crees que co-

rresponden a fuentes más contaminantes y cuáles a fuentes me-

nos contaminantes?

2) Una parte importante de la energía consumida en los hogares es

para la iluminación (fig. 38).

En tu casa: ¿Utilizan lámparas de bajo consumo o tubos de luz?

¿Utilizan lámparas incandescentes?

¿Se aprovecha la luz natural disponible?

En base a tus respuestas: ¿Qué podrías hacer para reducir el consumo energético debido a

la iluminación?

3) La construcción de una central eléctrica (solar, térmica, hidroeléc-

trica, etc.) puede tener consecuencias negativas para el ambiente,

pero también puede tener muchas consecuencias positivas.

a) Analiza ambos aspectos y construye una lista de cada una.

b) Imagina que eres la persona responsable del gobierno para con-

tactar a las autoridades locales y convencerlas que acepten la ins-

talación de la central. ¿Qué argumentos utilizarías?

4) El consumo de energía eléctrica produce en general poco impacto

sobre el ambiente, pero hay excepciones. Analiza los aparatos eléc-

tricos que utilizas frecuentemente y contesta.

a) ¿Cuáles son los aparatos más ruidosos?

b) Compara tu respuesta con la de tus compañeros ¿cuáles son los

más nombrados? c) ¿Se podría reducir el ruido de algún modo?

5) En el mes de abril de 2009 en Punta del Este, Uruguay (fig. 39) se

llevó a cabo una reunión en la que se discutieron temas como la

seguridad energética, panorama de la industria de petróleo y gas,

impacto de la crisis financiera global, cambio climático y eficiencia

energética, avances y desafíos en la gestión ambiental de la indus-

Fig. 38.

Fig. 39. Conferencia de ARPEL en

Punta del Este (www.arpel.org).

Actividades

120 Capítulo 6 • Recursos energéticosCiencias Físicas • 2º C.B.

Fig. 16. La totalidad de la “materia

común” que conocemos, solo representa

el 4 % del total de la materia del universo

material.

Fig. 17. Imagen de la nebulosa

“Cabeza de Caballo” tomada por el Ob-

servatorio Europeo Austral - Chile.

Lectura

Universo oscuro

Oscuro. Hace tiempo que los cosmólogos no dudan en definir

así a nuestro universo. Y es que cada vez son más los datos que

confirman que la energía oscura y la materia oscura son sus

principales componentes.

Sesabequeexisten,peronosesabeloqueson.Hayconsensoalreconocer

suenormeinfluencia,perojamássehanpodidodetectar.Energíaymateria

oscuraparecequeloinvadentodo,peronadiesabedequéestánhechas.

Todoempezóhaceunosañosconlasobservacionesdelmovimientodeal-

gunasgalaxiasydelaluzquepasabapróximaaellas,quenoseguíanlasre-

glasquepredecíalateoríadeEinstein.Luegovendríalasorpresadevercómo

lasgalaxiaslejanassedistanciabandenosotrosaunavelocidadmuysuperior

alaquetambiénpredecíadichateoría.

Laexplicaciónmásaceptadadesdeentoncesaestasirregularidades,esque

nuestrouniversoestácompuestoademásdeporlamateriaqueconocemos,

poruntipodemateriaalaquesehadenominado“materiaoscura”quesu-

pondríael21%delacomposicióntotaldeluniverso.Sesabequenoemiteluz

yquecasinointeractúaconlamateriaordinaria,peroqueejerceunagran

fuerzadegravedad.Asimismosecreequetambiéntienequeexistiruna“energíaoscura”-un

75%delcosmos-responsabledelaaceleraciónquesufreactualmentelaex-

pansióndeluniverso.Estasideas,concebidasyahacetiempo,hansidoconfir-

madaspornumerosasobservaciones.

Queeluniversoconocido-galaxias,estrellas,nuestroSistemaSolarein-

clusolaTierra,pertenezcatansoloaesepequeño4%delamateriaordinaria

deluniverso,avivatodavíamáslacuriosidadpornuestrocielo.

La“naturalezaoscura”suponeenlaactualidadunnuevouniversopordes-

cubrir,unnuevoretoparanuestramente.

ArtículodeJ.M.LópezpublicadoenlarevistaFusión–España2006

Cuestionario:

1. Ademásdelamateriaqueformatodosloscuerposconocidos¿cómoestá

compuestonuestrouniverso?

2. ¿Porquéestasformasdemateriayenergíarecibenelnombrede“oscura”?

3. Sinoesposiblepercibirlasporlossentidos;¿enquésebasanloscientíficos

parasostenersuexistencia?

4. ¿Quéinterpretascuandoelautordicequelamateriaylaenergíaoscura

suponenun“nuevouniversopordescubrir”?

Investiga

Preguntas

Materia oscura

Materia común

Energíaoscura

16 Capítulo 1 • Sistemas materialesCiencias Físicas • 2º C.B.

1) Para mover o levantar objetos “pesados” se suelen utilizar poleas, palancas o planos inclinados A este tipo de dispositivos se les deno-minan máquinassimples. a) Nombra algunas máquinas simples y realiza un dibujo de cada una. b) Indica las ventajas de utilizarlas. c) Mediante el sistema de la figura 37 se puede levantar la pesa reali-zando la mitad de fuerza que su peso. ¿Se realizará menos trabajo para subirlo a determinada altura?

2) a) ¿Cómo es posible que el cuerpo humano mantenga una tempera-tura constante y diferente a la del ambiente si están en permanen-te contacto? b) ¿Qué significa que un ser vivo es homeotermo? c) Indica algunos seres vivos que son homeotermos y algunos que no lo son (fig. 38).

3) En algunos textos es frecuente leer que el calor puede transmitirse o propagarse por conducción, por convección y por radiación. a) Explica cada uno de los tres mecanismos de trasmisión. b) Describe situaciones en las que se produzcan estas formas de pro-pagación. c) ¿Por qué las ollas y cucharas suelen tener mangos de madera y no de metal? d) ¿Por qué el congelador de las heladeras está ubicado siempre en su parte superior?

4) Los alimentos que ingerimos nos aportan la energía necesaria para que nuestro organismo pueda llevar a cabo las funciones vitales. a) Busca información y realiza una tabla que indique el aporte ener-gético promedio que suministran los alimentos que consumes habitualmente. b) Realiza un informe sobre alimentación saludable a partir de las recomendaciones de la Organización Mundial de la Salud (OMS). c) Realiza el cálculo energético de lo que ingieres comúnmente en un día.

5) En muchos casos es necesario conocer cuán rápido una máquina es capaz de realizar un trabajo. Para poder medir esto se utiliza la mag-nitud llamada potencia. a) ¿Cómo se define potencia? b) ¿En que unidades del Sistema Internacional se mide? c) Averigua las potencias de algunos electrodomésticos de tu casa.

Investiga

Fig. 37. Ejemplo de máquina sim-ple.

Fig. 38. ¿El pingüino es homeo-termo?

Fig. 39. FAO Organización de la Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación.

77Capítulo 4 • Energía, calor y trabajo

2º C.B. • Ciencias Físicas

1) ¿Cómo se define la magnitud Calor?

2) ¿Cuál es la unidad de la magnitud Calor en el Sistema Internacional de Unidades?

3) a) ¿Qué propiedades debe tener el material que forma las paredes del calorímetro? ¿Por qué? b) Menciona ejemplos de dichos materiales.

4) ¿Cómo reconoces que entre dos variables se establece una relación directamente proporcional?

5) Si de una sustancia conoces el valor de la masa, el calor específico, el volumen, la densidad y la temperatura. ¿Cuál o cuáles de estas propiedades te permiten identificarla? Expli-ca tu respuesta.

6) a) ¿Cómo se define calor específico de una sustancia? b) ¿En qué unidades se puede expresar? c) ¿Es una propiedad intensiva o extensiva?

7) En una olla se coloca un cierto volumen de aceite a 60,0ºC. Se mide la temperatura ambiente que resulta de 18,0ºC. a) ¿El aceite absorberá o liberará energía? b) ¿Qué variación de temperatura experimentará el aceite al llegar al equilibrio térmico con el ambiente? c) ¿Qué significa el signo de dicha variación?

8) Un recipiente de paredes aislantes contiene agua a una temperatura de 70ºC .Se sumerge en ella un objeto metálico a una temperatura inicial de 20ºC y se tapa. a) ¿Hay transferencia de energía mediante calor entre el agua y el objeto? b) ¿Hay transferencia de energía mediante calor entre el sistema agua-objeto y el ambiente? c) Indica quién absorbe energía y quién la libera. d) ¿Qué signo tendrá la variación de temperatura del agua? e) ¿Qué signo tendrá la variación de temperatura del objeto? f) ¿Serán necesariamente iguales (sin considerar su signo) las varia-ciones de temperaturas del agua y del objeto? g) Luego de transcurrido un largo tiempo, quien tendrá mayor tem-peratura ¿el agua o el objeto?

Preguntas

Fig. 41. Pregunta 3.

Fig. 42. Pregunta 8.

97Capítulo 5 • Calor2º C.B. • Ciencias Físicas

1) En una clase el profesor pregunta: ¿qué tipo de sistema es una caja

de leche chocolatada sin abrir? (fig. 21)

Carolina considera que es un sistema aislado, en cambio Martina

opina que es un sistema cerrado. ¿Cuál de las dos alumnas tiene ra-

zón y por qué?

2) Clasifica los siguientes sistemas en abierto, cerrado o aislado, expli-

cando en cada caso la relación con el ambiente.

a) sardinas enlatadas

b) copa con vino c) un paquete de panchos envasados al vacío

d) recipiente de espumaplast conteniendo helado

e) un árbol f) una habitación con las puertas y ventanas cerradas

3) En un experimento se está estudiando la flotabilidad de algunos

cuerpos en agua (fig. 22).

a) Indica qué partes componen el sistema y cuál es el ambiente.

b) Clasifica el sistema como abierto, cerrado o aislado.

c) ¿En qué estado físico está cada componente del sistema?

d) ¿El sistema es homogéneo o heterogéneo?

e) ¿Cuántas fases tiene?

4) El recipiente de la figura 23 contiene agua coloreada y está tapado

de tal forma que no permite el intercambio de materia con el am-

biente. a) Identifica qué partes componen el sistema y cuál es el ambiente.

b) Clasifica el sistema en abierto, cerrado o aislado.

c) ¿El sistema es homogéneo o heterogéneo?

d) Si enfriáramos el recipiente hasta obtener hielo ¿cambiaría la

masa del sistema? Justifica.

5) Describe lo que ves en cada fotografía (fig. 24 a, b y c) e indica en

qué estado físico está la materia en cada una, justificando tu res-

puesta.

Fig. 21. Problema 1.

Fig. 22. Problema 3.

Fig. 23. Problema 4.

PROBLEMAS

Fig. 24 a, b y c. Problema 5.

18 Capítulo 1 • Sistemas materialesCiencias Físicas • 2º C.B.

Trabajossugeridospararealizarenellaboratoriobajolasupervisióndeldocente.

Propuestassencillasquenorequieren

instrumentalnitécnicas

sofisticadas.

Textosdedivulgacióncientíficaquecontribuyenaampliarlostemascentrales.

Situacionesplanteadasque

vanmásalládelapropuesta

programáticadelcurso.

Cuestionariosecuenciadosobretodoslostemasdesarrolladosencadacapítulo.

Experimentos

ActividadES

Lecturas

Investiga

Preguntas

PROBLEMAS

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