Subido por Kely Núñez

Física y Química 4to ESO

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FÍSICA Y QUÍMICA
4.º ESO
Enrique Andrés del Río
Francisco Larrondo Almeda
Francisco Martínez Salmerón
Sergi Bolea Escrich
Coordinador y asesor didáctico
Enrique Andrés del Río
Revisores técnicos
Diego Molinera Galán
Daniel Esteban Sanzol
Revisor pedagógico
Ángel López Urbaneja
MADRID · BUENOS AIRES · CARACAS · GUATEMALA · LISBOA · MÉXICO
NUEVA YORK · PANAMÁ · SAN JUAN · BOGOTÁ · SÃO PAULO · AUCKLAND
HAMBURGO · LONDRES · MILÁN · MONTREAL · NUEVA DELHI · PARÍS
SAN FRANCISCO · SÍDNEY · SINGAPUR · SAINT LOUIS · TOKIO · TORONTO
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TABLA DE CONTENIDOS
Unidad 1
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
1.
El método científico...................................................................................................................................................
La actividad científica
2. Las magnitudes............................................................................................................................................................
3. El número en ciencia.................................................................................................................................................
4. Tablas y gráficas..........................................................................................................................................................
5. Las TIC en el ámbito científico.............................................................................................................................
6. Proyecto de investigación......................................................................................................................................
Mapa conceptual..................................................................................................................................................................
Mira a tu alrededor.............................................................................................................................................................
Práctica de laboratorio.....................................................................................................................................................
Actividades finales..............................................................................................................................................................
Pon en marcha tus habilidades.....................................................................................................................................
Unidad 2
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
1.
El modelo de átomo...................................................................................................................................................
Átomos y enlaces
2. El sistema periódico..................................................................................................................................................
3. El enlace químico........................................................................................................................................................
4. Química del carbono.................................................................................................................................................
5. Compuestos de carbono.........................................................................................................................................
6. Grupos funcionales....................................................................................................................................................
Mapa conceptual..................................................................................................................................................................
Mira a tu alrededor.............................................................................................................................................................
Práctica de laboratorio.....................................................................................................................................................
Actividades finales..............................................................................................................................................................
Pon en marcha tus habilidades.....................................................................................................................................
Unidad 3
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
1.
La reacción química...................................................................................................................................................
Reactividad química
2. Leyes ponderales........................................................................................................................................................
3. El mol................................................................................................................................................................................
4. Termoquímica...............................................................................................................................................................
5. Cinética química.........................................................................................................................................................
6. Reacciones ácido-base.............................................................................................................................................
7. Química en la práctica..............................................................................................................................................
8. La química en nuestro entorno.............................................................................................................................
Mapa conceptual..................................................................................................................................................................
Mira a tu alrededor.............................................................................................................................................................
Práctica de laboratorio.....................................................................................................................................................
Actividades finales..............................................................................................................................................................
Pon en marcha tus habilidades.....................................................................................................................................
Unidad 4
6
8
10
16
20
24
26
28
28
29
30
32
34
36
40
44
56
58
60
64
64
65
66
68
70
72
74
76
82
86
90
92
96
100
100
101
102
104
– – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – 106
1.
Las magnitudes vectoriales.................................................................................................................................... 108
El movimiento.
2.
Las magnitudes del movimiento.......................................................................................................................... 110
cinemática y dinámica
3. Principales tipos de movimiento.......................................................................................................................... 118
4. Las fuerzas y sus efectos sobre el movimiento............................................................................................. 128
Mapa conceptual.................................................................................................................................................................. 136
Mira a tu alrededor............................................................................................................................................................. 136
Práctica de laboratorio..................................................................................................................................................... 137
Actividades finales.............................................................................................................................................................. 138
Pon en marcha tus habilidades..................................................................................................................................... 140
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Proyecto de
investigación
¿Centri-qué?............................................................................................................................................................................
142
Unidad 5
– – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – 144
1.
Una ley física fascinante........................................................................................................................................... 146
Dinámica cotidiana:
2.
La ley de la gravitación universal......................................................................................................................... 148
gravitación y presión
3. ¿Para qué sirven los satélites artificiales?........................................................................................................ 158
4. Presión............................................................................................................................................................................. 160
5. El principio fundamental de la hidrostática.................................................................................................... 162
6. El principio de Arquímedes.................................................................................................................................... 165
7. El principio de Pascal................................................................................................................................................ 168
8. La presión atmosférica............................................................................................................................................. 170
Mapa conceptual.................................................................................................................................................................. 174
Mira a tu alrededor............................................................................................................................................................. 174
Práctica de laboratorio..................................................................................................................................................... 175
Actividades finales.............................................................................................................................................................. 176
Pon en marcha tus habilidades..................................................................................................................................... 178
Unidad 6
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
1.
Energía............................................................................................................................................................................
Energía
2. Tipos de energía.........................................................................................................................................................
3. Trabajo.............................................................................................................................................................................
4. Principio de conservación de la energía..........................................................................................................
5. Potencia..........................................................................................................................................................................
6. Calor y energía............................................................................................................................................................
7. Máquinas térmicas.....................................................................................................................................................
Mapa conceptual..................................................................................................................................................................
Mira a tu alrededor.............................................................................................................................................................
Práctica de laboratorio.....................................................................................................................................................
Actividades finales..............................................................................................................................................................
Pon en marcha tus habilidades.....................................................................................................................................
Anexo
Formulación inorgánica......................................................................................................................................................
180
182
184
188
192
196
198
206
210
210
211
212
214
216
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Presentación de la unidad
CÓMO
SE UTILIZA
ESTE LIBRO
5
¿Es posible que una botella llena de agua tenga un
agujero pero que el agua no salga por él? ¿Es posible diseñar un mecanismo para que el agua solo salga
cuando nosotros decidamos?
Para resolver estas cuestiones necesitas una botella
de plástico de agua mineral, una pajita y agua.
1. Con ayuda de un punzón, haz un agujero en el tapón de la botella para que entre por él la pajita.
Pero no dejes ninguna holgura entre la pajita y el
agujero.
2. Con el mismo punzón, haz un agujero en el lateral
de la botella, de tal modo que, al meter la pajita
dentro, su extremo inferior
pueda quedar por debajo
de este agujero.
En primer lugar, estudiarás la gravitación, que es la interacción que provoca la caída de los cuerpos y el movimiento de los planetas y de los satélites artificiales, gracias a los cuales disponemos,
por ejemplo, de telefonía móvil, previsiones meteorológicas o conocimiento sobre el origen del
Universo.
La segunda parte de la unidad trata del concepto de presión, que está ligado a las fuerzas y cuya
utilidad para describir los efectos de las fuerzas y, en especial, el comportamiento de líquidos y
gases es enorme. La presión es tan importante que cuando aprendas más sobre ella podrás comprender la flotabilidad de los cuerpos, el funcionamiento de los frenos de un coche, la necesidad
de afilar los cuchillos o el tiempo meteorológico.
Estudiar conjuntamente gravitación y presión te permitirá aplicar los conocimientos sobre fuerzas de unidades anteriores y comprender mejor lo que cada día ves que sucede a tu alrededor.
Como dijo Stephen Hawking (1942):
«Solo somos una raza avanzada de monos en un planeta menor de una estrella promedio.
Pero podemos entender el Universo. Eso nos hace muy especiales».
Un texto introductorio te presenta
cada unidad y la acerca a tu entorno.
En el sumario
tienes un avance
de los contenidos.
VOCABULARIO
La cinemática es la parte de la física que estudia
el movimiento sin tener
en cuenta las causas que
lo originan.
El estudio de la física se inicia con el estudio del movimiento. El movimiento
está presente en todos los actos de nuestra vida, pero ¿qué es el
movimiento?
PIENSA Y RAZONA
1
2
3
4
5
6
7
8
Una ley física fascinante
4. Quita el tapón del agujero lateral y observa lo que
pasa. ¿Sale el agua por el
agujero?
La Ley de la gravitación universal
¿Para qué sirven los satélites
artificiales?
5. Ahora baja la pajita para que su extremo quede por debajo del agujero lateral. ¿Sale ahora el
agua?
Presión
El principio fundamental
de la hidrostática
6. A continuación súbete a una silla. Llena la botella
de agua y quita la pajita. Por el agujero lateral saldrá agua. Pon mucha atención y suelta la botella.
Conforme la botella esté cayendo observa si sale
agua por el agujero lateral. Será, solo décimas de
segundo, pero, si estás atento, verás perfectamente lo que sucede.
El principio de Arquímedes
El principio de Pascal
La presión atmosférica
El número de ejes necesarios para definir el movimiento dependerá de las características del propio movimiento. Al número de ejes necesario se lo denomina dimensiones del movimiento.
Si el movimiento realiza una curva, por
ejemplo la pelota lanzada por un jugador
de golf, serán necesarias dos dimensiones.
Si el movimiento es en línea recta, por
ejemplo un corredor en línea de meta,
bastará con una sola dimensión.
a) Imagina que eres un astronauta y que estás en la Luna. ¿Qué movimientos
de la Tierra observarías?
b) Ahora sitúate en uno de esos ascensores transparentes. Mientras estás
bajando ves como otro ascensor sube. ¿Seguro? ¿Cómo podemos asegurarnos de que el otro ascensor está subiendo y no está parado?
FÍSICA 2.0
Visita esta página:
goo.gl/xWRK1L
En ella podrás observar
la diferencia de un mismo
movimiento en función
del sistema de referencia
que se utilice.
Si el movimiento no se puede representar en una única superficie, por ejemplo
el vuelo de un pájaro, hay que utilizar las tres dimensiones del espacio.
EL LABORATORIO EN EL AULA Sistemas de referencia
Con estos dos ejemplos habrás observado cómo es de relativo el movimiento
y cuán necesario es fijar un punto de referencia que suponemos en reposo.
4.1. Las leyes de Newton
Las leyes de la dinámica fueron compiladas y organizadas por el físico y matemático inglés Isaac Newton a finales del siglo xviii. Por eso son conocidas
como leyes de Newton.
Hasta aquel momento se asociaba el movimiento a la presencia de fuerzas. El
movimiento existía porque había una fuerza que lo mantenía. Si empujo un
carro, este se mueve; si dejo de empujarlo, se detiene.
La tercera ley de Newton, o ley de acción y reacción, nos enseña
que en las interacciones entre dos cuerpos las fuerzas aparecen de
dos en dos, de manera que a toda fuerza «acción» se opone otra
igual en módulo y dirección, pero de sentido contrario, «reacción».
F1,2 = −F2,1
El movimiento es la variación de la posición respecto a un punto que consideramos fijo.
FC: fuerza cohete
FG: fuerza gases
2.1. El sistema de referencia y la posición
En la vida cotidiana, en los juegos, etc., existen distintas maneras de expresar
dónde están situados los objetos. Es así por ejemplo en el ajedrez, en las carreteras o en las calles de las ciudades.
Aunque las fuerzas sean iguales y de sentidos contrarios, no se anulan, pues actúan sobre cuerpos diferentes.
Vamos intentar entender las leyes de la dinámica con ayuda de este cohete.
El sistema de referencia (SR) es el conjunto formado por un origen de
coordenadas y unos ejes que permiten definir la posición de un objeto
mediante las coordenadas que ocupa respecto del origen.
La primera ley de Newton, también conocida como ley de la
inercia, nos dice que si sobre un cuerpo no actúa ninguna fuerza o si la fuerza resultante es cero, el cuerpo se mantendrá en

reposo o seguirá con movimiento rectilíneo uniforme ( v = cte ).
Por tanto, la posición es un vector y su unidad en el SI es el metro (m).
Acción: fuerza que ejerce el cohete sobre los gases.
EXPERIMENTA
La segunda ley de Newton, o principio fundamental de la dinámica, nos
indica que la existencia de una fuerza resultante distinta de cero produce
en un cuerpo un cambio en su movimiento, una aceleración,
que es direc

tamente proporcional a la fuerza que la produce: F = m · a , siendo la masa
la constante de proporcionalidad.
ACTIVIDADES
110
El primer número representa
la distancia al origen medida
en el eje de las x.
6
5
A(3,4)
rA
2
Planteamientos que
van a despertar
tu curiosidad y te
motivarán hacia
el aprendizaje.
28. Si el motor de nuestro cohete proporciona una fuerza de 21 000 N y la
masa del cohete es de 3 toneladas, ¿qué aceleración ha sufrido el cohete?
ACTIVIDADES
30. Si la masa de gas propulsada por el cohete ha sido de 25 kg, ¿qué aceleración han acusado los gases? Toma los datos del ejercicio 28.
UNIDAD 4
131
EXPERIMENTA
Vector de posición
0 (0,0)
2
3
4
5
6
7
8
¿Centri-qué?
La aceleración tangencial mide la
variación de la celeridad y posee
dirección tangente a la trayectoria.
La aceleración centrípeta mide la variación
en la dirección de la velocidad y posee
un sentido perpendicular a la trayectoria.
v2
, la segunda ley
Recordando que ac =
R
de Newton nos lleva a concluir que cualquier
fuerza que actúe como fuerza centrípeta
v2
.
debe cumplir: Fc = m ·
R
A continuación te planteamos un conjunto de actividades para que aprendas todo lo necesario sobre la fuerza principal del movimiento circular: la
fuerza centrípeta.
ACTIVIDADES
1. Sobre el vagón de la montaña rusa actúan en cualquier punto la fuerza de
rozamiento, la fuerza normal y el peso. ¿Cuáles de estas fuerzas actúan
como fuerzas centrípetas en los puntos A, B y C del sistema de la figura?
2. El yoyó de la figura se encuentra en el punto que llamamos D. Los puntos A, B y C se definen como en la imagen anterior, es decir, punto A: el
punto superior de la trayectoria, punto B: el punto más a la derecha y
punto C: el punto más a la izquierda.
a ) La siguiente expresión en el punto A, ¿es verdadera o falsa?
v2
m·
= m · g +T
R
¿Y en los puntos B y C?
b ) Si la velocidad del cuerpo es constante. ¿En qué punto (A, B, C o D)
será más probable que se rompa la cuerda del yoyó?
3. ¿Qué trayectoria seguirían los cuerpos de las dos primeras
situaciones representadas y el coche de esta tercera imagen
si se rompiera la estructura del rizo, se rompiera la cuerda
del yoyó o la carretera estuviera helada, respectivamente?
¿Es posible que exista una trayectoria circular si no existe
ninguna fuerza que actúe como fuerza centrípeta?
142
PROYECTO DE INVESTIGACIÓN
L
Tapón de goma
4. Construye el sistema experimental de la figura. Cuelga una
m
pesa de masa conocida y mide la masa del tapón.
Con la mano, haz girar el sistema, tratando de que el giro se
produzca con velocidad constante.
a ) Dibuja las fuerzas que actúan sobre el tapón y sobre la pesa.
Tubo de vidrio
Clip
b ) ¿Entre qué fuerzas existe equilibrio si el clip está fijo?
c ) Con ayuda de un compañero, cronometra el tiempo que tarda
el tapón en dar diez vueltas. Al terminar, pide a tu compañePesa
ro que coloque un dedo sobre la parte superior del tubo de
vidrio para detener el sistema y que podáis medir la longitud
del hilo. Repite esta medida cinco veces y toma la media de tus resultados como valor real del tiempo.
d ) Aplica las expresiones del MCU y de la fuerza centrípeta para completar la siguiente tabla:
Radio
trayectoria
(R)
A
C
Longitud
trayectoria
L=2·π·R
Tiempo
una vuelta
T
T = 10
10
Velocidad
tapón
L
v=
T
Aceleración
centrípeta
v2
ac =
R
Fuerza
centrípeta
v2
R
PROYECTO DE INVESTIGACIÓN
Tiempo
10 vueltas
T10 (s)
Fc = m ·
Peso de
la pesa
P=m·g
B
e ) ¿Se cumple el equilibrio de fuerzas que has definido en el apartado b)?
f ) Aumenta la velocidad de giro del tapón. ¿El clip sube o baja? Explica este comportamiento empleando las ecuaciones correspondientes.
A
C
B
D
R = 100 m
N
Fc
Fr P F r
x
Experimentos diseñados
para realizar en el aula,
que te enseñarán a
resolver en la práctica lo
que has aprendido.
ACTIVIDADES
Siempre que un cuerpo se mueve con un movimiento circular, posee aceleración. Esta aceleración puede tener las componentes tangencial y normal o centrípeta, o solo esta última componente normal o centrípeta.
9
LABORATORIO
EN EL AULA
PROYECTO DE INVESTIGACIÓN: ¿Centri-qué?
Demostraciones sencillas de
pocos minutos que puedes
llevar a cabo con material
casero y están acompañadas
de actividades.
El segundo número representa
la distancia al origen medida en
el eje de las y.
B(7,2)
rB
1
Para situar un lugar en la
superficie terrestre utilizamos las coordenadas
geográficas, longitud y
latitud. En esta página
podrás encontrar más información al respecto:
goo.gl/LgVBXf
y un simulador en:
goo.gl/HgVTv9
Investiga cuál es la situación, en coordenadas
geográficas, de tu pueblo o ciudad.
UNIDAD 4
PIENSA Y RAZONA
UNIDAD 4
y
¿SABÍAS QUE...?
UNIDAD 4
3. Vamos a comprobar la tercera ley de Newton con dos imanes. Sitúa dos
imanes sobre dos corchos para que puedan flotar. Puede ser conveniente
que sitúes un contrapeso en la parte inferior del corcho.
A continuación llena la pila de tu casa con agua e introduce en ella los dos
imanes. Encara primero los dos polos iguales y después los dos diferentes.
Observa qué ocurre en cada caso.
Toma fotos y prepara una presentación donde expliques y justifiques todo
el proceso.
ACTIVIDADES
29. Busca información sobre la vida y la obra de Isaac Newton. Con la información recogida, confecciona un mural que pueda ser colgado en el aula.
La posición de un objeto móvil se expresa mediante las coordenadas que ocupa en este sistema.
1
Comprueba la tercera ley de Newton
Cuando se encienden los motores, estos ejercen una fuerza y el cohete

empieza a moverse con una aceleración a .
Si el motor ha estado en funcionamiento 10 segundos, ¿qué velocidad
habrá alcanzado el cohete en ese tiempo?
De entre todos los sistemas de referencia posibles, nosotros vamos a elegir el
sistema de referencia cartesiano, formado por uno, dos o tres ejes perpendiculares entre sí, a los que se denomina eje x, eje y y eje z.
3
2. Investiga qué sistema de referencia se utiliza en el juego de la guerra de
barcos y en las cartas de navegación.
movimiento sigue su MRU.
Reacción: fuerza que ejercen los gases sobre el cohete.
1. En grupos de tres alumnos, diseñad un sistema de referencia que permita
definir la posición de cualquier alumno en el instituto. Para comprobar la
eficiencia de vuestro sistema, podéis esconder diversos objetos en lugares
que solo conozca un miembro del grupo, de manera que pueda dar la situación a sus compañeros y verificar cuál de los métodos es el más efectivo. A
continuación haced una puesta en común y discutid cuál de las propuestas
sería más adecuada. El compañero que esconde el objeto puede grabaros
y así hacer un montaje de vídeo de todo el proceso.
4
Podemos observar que la primera ley de
Newton es en realidad un caso particular
de la segunda.Cuando la fuerza resultante
0
 F
=
= 0 . Y, por tanto, el
es cero, a =
m
m
Como no actúa ninguna fuerza, y el cohete está parado, seguirá
parado.
130
Sumario
Antes de empezar
te proponemos un reto:
una actividad motivadora
y experimental sobre
los nuevos contenidos.
2 Las magnitudes del movimiento
Estudiar será divertido con este libro. La teoría es clara
y concisa, y el texto está acompañado de imágenes
e infografías que te van a ayudar a entenderlo todo
de forma fácil y muy visual.
FÍSICA 2.0
3. Tapa el agujero lateral con
el dedo o con un poco de
plastilina. Llena la botella de
agua, pon el tapón en la botella y mete la pajita, dejando su extremo inferior por
encima del agujero lateral.
El estudio de la física te permitirá comprender mejor el mundo que te rodea. Y para cumplir con
ese objetivo, esta unidad puede ser una gran herramienta.
Desarrollo de contenidos
Puedes practicar con
las fuerzas y las leyes de
Newton en esta página:
goo.gl/bL2Z8m
Te proponemos un reto
DINÁMICA COTIDIANA: GRAVITACIÓN Y PRESIÓN
El proyecto de investigación te
permitirá profundizar y realizar
tareas como un auténtico científico.
5. La fuerza centrípeta te ayuda a comprender una gran cantidad de procesos naturales y sistemas tecnológicos. ¿Existe alguna
fuerza en dirección centrípeta que actúe
sobre los planetas? ¿Cómo puedes estar
seguro? ¿Sabes cuál es esa fuerza?
¿Para qué sirven los agujeros del tambor
de una lavadora? Relaciona tu respuesta con la que has dado en la primera pregunta de la actividad 3.
TAREA FINAL
Tu tarea consiste en redactar una memoria de investigación titulada ¿Fuerza centri-qué?: Fuerza centrípeta. Debes redactar uno o varios objetivos e incorporar las soluciones y los resultados de las cinco actividades realizadas. Trata de que el aspecto no sea el de una colección de ejercicios, sino que resulte un
informe organizado con la estructura que consideres más útil para demostrar todo lo que sabes sobre la
fuerza centrípeta.
PROYECTO DE INVESTIGACIÓN
143
111
7 El principio de Pascal
El simulador virtual que
hemos empleado para
comprobar el principio
de los vasos comunican­
tes y la paradoja hidros­
tática también permite
comprobar y profundizar
en el principio de Pascal.
Usa la tercera pantalla de
este simulador.
Ciencia 2.0 y otros. A lo largo
de todo el libro podrás acceder
a applets relacionadas con
los procesos químicos y físicos
más interesantes.
EXPERIMENTA
Ludión de Descartes
2
168
3
Se ejerce una fuerza F1 sobre la
superficie A1 y por tanto se eleva
la presión del líquido un valor:
F
P1 = 1
A1
EJEMPLO RESUELTO
16. El elevador hidráulico es una máquina que aprovecha el principio de Pascal para conseguir grandes fuerzas con las que elevar pesados cuerpos
aplicando fuerzas moderadas. El elevador de la figura posee un pistón
pequeño de radio 2 cm y uno mayor de radio 20 cm. ¿Qué fuerza debe
aplicarse con el aire comprimido para elevar un vehículo de 2 000 kg?
Solución
Debe emplearse el principio de Pascal, y para ello deben conocerse las
superficies de los pistones pequeño y grande:
Spequeña = ⋅ r 2 = ⋅ 2 2 = 4 cm2
De acuerdo al principio de Pascal, el
aumento de presión P1 del depósito se
comunica a todo el líquido. Por tanto:
F1
F
P1 = P2 →
= 2
A1
A2
Expresión matemática del principio
A
de Pascal. Despejando: F2 = F1 · 2 ,
A
1
F1
F2
Faire
Spequeña
P
= coche
Sgrande
Faire
P
·S
2000 · 9,8 · 4 · = 196 N
= coche pequeña =
Sgrande
400 · Por tanto, este elevador multiplica por cien la fuerza ejercida.
ACTIVIDADES
35. Para subir a una furgoneta a una persona en silla de ruedas cuya masa conjunta es de 120 kg, se instala un
elevador hidráulico con un pistón grande. El radio de este pistón es ocho veces mayor que el del pistón
pequeño. La fuerza aplicada es de 25 N. ¿Es un sistema adecuado?
ACTIVIDADES
36. Elabora una exposición oral acerca del sistema de dirección neumática en la que expliques su funcionamiento y las ventajas que posee.
UNIDAD 5
Ejercicios que consolidan
los conceptos aprendidos
en la teoría.
169
Cierre de unidad
MAPA CONCEPTUAL
PRÁCTICA DE LABORATORIO
Mapa de los conceptos más
importantes en el que te
invitamos a completarlo con
otros que has estudiado.
Publicación
Copia el mapa
en tu cuaderno y
complétalo con los
siguientes términos:
escalares y vectoriales,
fundamentales y
derivadas, cifras
significativas, error.
Observación
MÉTODO CIENTÍFICO
Hipótesis
Magnitudes
Teoría o ley
Experimentación
Medida en ciencia
Análisis
de resultados
MIRA A TU ALREDEDOR
Cuando usamos el teléfono móvil en la calle andamos con mayor prudencia
Hoy en día es habitual ver personas que utilizan su teléfono inteligente
a la vez que andan por la calle. Conrad Earnest, de la Universidad de
Texas A&M, y tres colaboradores, de la Universidad de Bath, han examinado el efecto de realizar esta doble tarea en un grupo de treinta
individuos que, además, se hallaban cognitivamente distraídos.
Establecer una relación
entre variables
Introduce 100 mL de agua destilada en el vaso
de precipitado. Dispón el vaso sobre el hornillo
y coloca en su interior el termómetro. Sigue las
instrucciones de tu profesor para el montaje.
Enciende el hornillo y realiza medidas de tiempo
con el cronómetro a intervalos de 30 segundos.
Anota los valores de tiempo y temperatura hasta
que el termómetro indique que el agua destilada
se encuentra a 80 ºC. Procura que no exceda de
ese valor.
Objetivo
Encontrar la relación entre la temperatura y el
tiempo.
Introducción
Queremos averiguar si existe relación entre el
tiempo de calentamiento y la temperatura que
alcanza un objeto, de tal forma que podamos
encontrar una expresión matemática que relacione ambas variables.
En nuestro caso lo realizaremos sobre el agua.
Material
• Hornillo.
• Vaso de precipitado.
• Agua destilada.
• Termómetro.
• Cronómetro.
Los resultados sugieren que los participantes tardaban más tiempo en
recorrer el camino cuando realizaban la tercera tarea en comparación
con la primera. En este caso, los individuos también conseguían evitar
más obstáculos y aumentaban la frecuencia de pasos; asimismo disminuía su capacidad de caminar en línea recta. En concreto, cuando se enfrentaban a desafíos cognitivos, estos peatones disminuían su velocidad para minimizar el riesgo de accidentes, por lo que
eran menos propensos a tropezarse porque reducían la longitud del paso y pasaban más tiempo
con ambos pies en contacto con el suelo.
Lecturas, debates,
investigaciones que te
harán pensar y favorecerán
tu espíritu crítico.
www.investigacionyciencia.es, 31 de julio de 2015
Cuestiones
a) Identifica en este experimento los pasos del método científico.
b) ¿Consideras que esta noticia tiene rigor científico? ¿Por qué?
c) Realiza un debate en clase sobre los resultados obtenidos.
28
30’’
1’30’’
2’
2’30’’
3’
Con tareas asociadas.
a) Utilizando la expresión matemática obtenida, averigua qué tiempo habría que
esperar para alcanzar una temperatura
de 90 ºC.
b) Analiza los motivos de los posibles errores que has cometido.
7. Expresa una breve opinión personal sobre
la práctica realizada. Indica qué dificultades
has encontrado en su ejecución.
8. Realiza nuevamente la práctica, pero esta
vez con 200 mL de agua.
9. Expresa la función matemática de la función resultante. ¿Hay diferencia entre las
dos funciones? ¿Qué conclusión podemos
obtener?
Procedimiento
Elabora una tabla como la siguiente para apuntar los valores de tiempo y temperatura durante el experimento:
Tiempo
PRÁCTICA DE
LABORATORIO
Tarea
1. Representa en un eje de coordenadas los
valores de tiempo-temperatura que has tomado. Sitúa el tiempo como la variable independiente y la temperatura como la variable
dependiente.
2. ¿Existe relación entre ambas variables? Si
la respuesta es afirmativa, indica qué tipo
de relación poseen.
3. Calcula la constante de proporcionalidad y
exprésala con su unidad correspondiente.
Para ello, calcula el valor de la constante
para cada medida y realiza la media.
4. Calcula el error absoluto y relativo que se
ha cometido para cada valor de la constante de proporcionalidad.
5. Expresa la función matemática de la función resultante.
6. Responde a las siguientes cuestiones:
Los participantes, de 18 a 50 años de edad, siguieron un camino lleno
de obstáculos mientras ejecutaban tres acciones diferentes. En el primer caso, andaban como lo hacían normalmente; en el segundo, andaban y tecleaban mensajes de texto en su teléfono móvil; en el tercero,
además de las dos tareas anteriores, tenían que resolver un problema
de matemáticas.
MIRA A TU ALREDEDOR
…
T (ºC)
UNIDAD 1
UNIDAD 1
29
ACTIVIDADES FINALES
No moja
No moja
Moja
Moja
La «suciedad»
habitualmente
en maLa consiste
«suciedad»
consiste habitualmente
en materia grasa adherida
al tejido
y que
por suycateria grasa
adherida
al tejido
que por su carácter hidrofóbico
no puede ser
Tejido
rácter hidrofóbico
no desplazada
puede ser desplazada
Tejido
por la acciónpor
únicamente
agua. del agua.
la acción del
únicamente
¿Por qué disminuye
tensión superficial
¿Por quéladisminuye
la tensióndel
superficial del
Pregunta 1 Pregunta 1
agua?
agua?
Este carácterEste
hidrofóbico
puede relacionar
a) El jabón incrementa
número deelpuentes
carácter se
hidrofóbico
se puede relacionar
a) El jabón el
incrementa
número de puentes
con la estructura
una grasade
que
básicamencon ladeestructura
una
grasa que básicamen- de hidrógeno.
de hidrógeno.
te puede serteunpuede
ácidoser
graso
o un triglicérido.
un ácido
graso o un triglicérido.
b) El jabón disminuye
número de
b) El jabóneldisminuye
el puentes
número de puentes
¿Cuál es la causa
hidrofóbico?
¿Cuáldel
es carácter
la causa del
carácter hidrofóbico? de hidrógeno.
de hidrógeno.
a) La gran a)
cadena
hidrocarbonada
forma
La gran
cadena hidrocarbonada
forma
c) El jabón disocia
la molécula
agua en sus
c) El jabón
disociade
la molécula
de agua en sus
puentes de hidrógeno
el agua. con el agua.
puentes decon
hidrógeno
elementos. elementos.
b) La gran cadena
hidrocarbonada
interacb) La gran
cadena hidrocarbonada
interacd) El jabón elimina
hidrógenos
agua. del agua.
d) El jabón
eliminadel
hidrógenos
ciona con el ciona
agua mediante
fuerzas
de Van
con el agua
mediante
fuerzas de Van
der Waals. der Waals.
Pregunta 3Pregunta 3
c) Los átomos
con el
c) de
Losoxígeno
átomosinteraccionan
de oxígeno interaccionan
con el
más sencillosmás
se sencillos
componen
Los detergentes
se componen
agua formando
puentes
de hidrógeno.
agua
formando
puentes de hidrógeno. Los detergentes
de una cabeza
y una
cola hidrofóbide hidrofílica
una cabeza
hidrofílica
y una cola hidrofóbid) Ninguno de
casos de
anteriores.
d) los
Ninguno
los casos anteriores.
ca, de manera
son capaces
de rodear
ca,que
de manera
que son
capacesa la
de rodear a la
suciedad y aislarla
delytejido.
respuesta
suciedad
aislarla¿Qué
del tejido.
¿Qué respuesta
Pregunta 2Pregunta 2
es cierta? es cierta?
Las fuerzas cohesivas
entre
las moléculas
denLas fuerzas
cohesivas
entre las
moléculas dentro de un líquido
están
compartidas
con todos con todos
tro de
un líquido
están compartidas
los átomos vecinos.
Lasvecinos.
de la superficie
los átomos
Las de lanosuperficie no
tienen átomos
por átomos
encima por
y presentan
tienen
encima yfuerpresentan fuerH2O
H2O
zas atractivas
fuertes más
sobre
sus vecinas
zasmás
atractivas
fuertes
sobre sus vecinas
próximas de próximas
la superficie.
asimetría
de asimetría
las
de laEsta
superficie.
Esta
de las
fuerzas de fuerzas
atracción
de atracción
Tensión
une al agua
por al agua por
Tensión superficiala) La cabezaa)hidrofílica
La cabezasehidrofílica
se une
intermoleculares
en la
intermoleculares
en lasuperficial
puentes de hidrógeno.
puentes de hidrógeno.
superficie sesuperficie
llama ten-se llama tensión superficial.
b) La cabezab) hidrofílica
une al agua
por al agua por
sión superficial.
La cabezasehidrofílica
se une
enlaces covalentes.
enlaces covalentes.
El proceso de
El limpieza
proceso de limpieza
c) La cola hidrofóbica
puentes
de hidróc) La colaforma
hidrofóbica
forma
puentes de hidróutilizando unutilizando
detergen-un detergengeno con la grasa
geno de
concarácter
la grasahidrofílico.
de carácter hidrofílico.
te se inicia porque
este porque este
te se inicia
es capaz deesdisminuir
d) Ninguna de
anteriores.
capaz de disminuir
d) las
Ninguna
de las anteriores.
3. Procede 3.
a realizar
pruebas
conpruebas
al
Procedevarias
a realizar
varias
con al
menos un par
de adhesivos.
factomenos
un par deAnaliza
adhesivos.
Analiza factoInvestigar y Investigar
desarrollary un
adhesivoun
o pegadesarrollar
adhesivo o pegares como: res como:
mento biodegradable
e informar de
las alter- de las altermento biodegradable
e informar
a) Tiempo de
que sea
no pea)secado
Tiempohasta
de secado
hasta
que sea no penativas a los nativas
productos
a loscomerciales.
productos comerciales.
gajoso al tacto.
gajoso al tacto.
Producto final
Producto final
Actividades de consolidación
1. ¿Es posible que un electrón esté en una órbita
con una energía de –E0/16? ¿Cuál sería?
Objetivo Objetivo
2. ¿Cuál es el fenómeno que dio lugar al nacimiento del modelo de Bohr? Explícalo.
3. Diferencia entre órbita y orbital. ¿A causa de
qué razonamiento se cambia una por la otra?
b) Tiempo de
curado hasta
conseguir
b) Tiempo
de curado
hastalaconseguir la
fortaleza máxima.
fortaleza máxima.
4. Un átomo posee ocupadas las siguientes órbitas, según el modelo
de Bohr. Identifica cuál
sería su representación
en el modelo cuántico y
a qué elemento nos referimos.
Obtener un Obtener
productoun
adhesivo
natural
y preproducto
adhesivo
natural y prehasta que lahasta que la
parar una presentación
pública del pública
procesodel proceso c) Tiempo de
c) envejecimiento
Tiempo de envejecimiento
parar una presentación
unión se separa.
seguido y deseguido
los resultados
unión se separa.
y de losobtenidos.
resultados obtenidos.
d) Fortaleza d)
deFortaleza
la unión, cuánta
fuerza
he- fuerza hede la unión,
cuánta
mos de hacermos
hasta
sehasta
separe.
de que
hacer
que se separe.
Pasos que debes
Pasos realizar
que debes realizar
4. Con todos4.los
datos
elabora
unaselabora
muestras
Aunque tu profesor
proponerte
proCon
todos
los datos
unas muestras
Aunquepuede
tu profesor
puede un
proponerte
un proexposición
público. Deceso diferente,
indicamosteuna
posible una
se- posible se- y prepara una
y prepara
una en
exposición
en público. Decesotediferente,
indicamos
cómo
se justifica
en- la unión encuencia de pasos.
es También
recomendable
explicar
cómolaseunión
justifica
cuenciaTambién
de pasos.
es recomendable bes explicar bes
delas
manera
y si existe
hacerlo en grupo,
comparar
loscomparar
datos los datos tre las piezastre
piezasquímica
de manera
química y si existe
hacerloy luego
en grupo,
y luego
agresión a lasagresión
superficies
no.
obtenidos. obtenidos.
a lasosuperficies
o no.
Li y F
Li y Li
5. Enumera las familias y los elementos de los
grupos principales.
Clave
Periodo
Grupo
Familia
Config.
elec.
Z
[B] … 4p3
[E] Z = 51
[C] grupo 14 Peri. 5
[F] tercer alcalino
5. Si tienes oportunidad,
realiza una venta
fic-una venta fic5. Si tienes oportunidad,
realiza
ticia de tu producto.
Para
ello debes
valorar:
ticia de tu
producto.
Para
ello debes valorar:
G
N
H
UNIDAD 2
69
UNIDAD
2
J
L
M
7. Enuncia la regla del octeto y aplícala para los
elementos: 3Li, 13Al, 16S, 20Ca, 30Zn 33As, 54Xe.
8. Un elemento del tercer periodo completa su
octeto ganando tres electrones. Obtén su número atómico, la configuración electrónica del
elemento libre y el tipo de enlace que formará
consigo mismo.
Incorporac)toda
esta información
a tu inIncorpora
toda esta información
a tu informe y recoge
losycomentarios
de tus
forme
recoge los comentarios
de tus
compañeros,compañeros,
familiares y amigos.
familiares y amigos.
UNIDAD 2
I
K
b) Cuál seríab)elCuál
costesería
de los
materiales
el
el coste
de losy materiales
y el
precio de venta.
Se de
consciente
lo que de lo que
precio
venta. Sede
consciente
tú pagarías por
el producto.
Tuproducto.
margen Tu margen
tú pagarías
por el
de beneficiode
debe
ser razonable.
beneficio
debe ser razonable.
69
66
CyF
K y Cl
1
2
4
11. Identifica a partir de sus propiedades el tipo
de sustancia y el enlace entre sus elementos:
a) Conduce la corriente fundido pero no
sólido.
b) Deformable y conduce la corriente.
c) Tan blando que sirve de lubricante.
d) Temperatura de fusión muy elevada y no
conduce, incluso fundido.
12. Nombra y formula:
a) 2-penteno
c) CH3—CH—CH3
|
CH2—CH3
e) CH2=CH—CH3
Actividades avanzadas
13. Identifica cuáles de las siguientes combinaciones de números cuánticos son posibles y a qué
orbital nos referimos. Si son inviables, justifica
la causa:
a) (2,3,4)
b) (3,1,1)
c) (0,0,0)
d) (2,0,0)
e) (1,1,-1)
f) (3,2,-2)
14. Realiza la estructura de Lewis y predice las
valencias de los compuestos formados por:
a) Ca y S
b) Al y S
c) N y O
d) Br y Br
15. Te encuentras en un almacén donde tienes lápices, baldosas, un anillo de diamante, una chapa
de acero, un saco de sal gruesa, alcohol y unas
tijeras. Indica qué material utilizarías para:
a) Pasar por encima cables pelados con corriente.
b) Evitar el chirrido de una puerta.
c) Realizar el filamento de una bombilla.
d) Conseguir una disolución conductora.
e) Cortar el cristal de la ventana sin romperla.
Distancia entre núcleos
[A] Z = 12
[D] = … 3d6
2. Busca pegamentos
naturales. Para
ello, Para ello,
2. Busca pegamentos
naturales.
además de mirar
en de
libros
e Internet,
además
mirar
en librosreae Internet, realiza una investigación
de campo por
en- por tu enliza una investigación
detu
campo
torno y averigua
unían antiguamente
tornocómo
y averigua
cómo unían antiguamente c)
los objetos rotos
o que necesitaban
mantelos objetos
rotos o que necesitaban
mantenerse unidos.nerse unidos.
OyF
Mg y S
3
[A]
a) Si tiene uno
o tiene
variosuno
componentes
que
a) Si
o varios componentes
que
has de proporcionar
por separado
has de proporcionar
pory separado y
cómo lo harías.
cómo lo harías.
Mg y F
FyF
10. Identifica qué situación representa cada uno
de los números en la gráfica de energía de
enlace e indica qué tipo de fuerza (atractiva o
repulsiva) domina.
6. Completa la tabla y localiza en el SP los
siguientes elementos:
1. Infórmate1.sobre
los diferentes
de ad- tipos de adInfórmate
sobre lostipos
diferentes
hesivos que existen
cómo
actúay cada
hesivos yque
existen
cómouno
actúa cada uno
de ellos. Si bien
no vamos
a realizar
ningude ellos.
Si bien
no vamos
a realizar ninguno de ellos, no
os de
interesa
su modo
ellos, conocer
os interesa
conocer su modo
de actuacióndepara
después
investigar
actuación
para
despuéssoinvestigar sobre vuestra propuesta.
bre vuestra propuesta.
9. Para las siguientes parejas, determina:
a) Tipo de enlace: iónico, covalente o metálico.
b) La valencia con que actúa cada elemento.
c) La fórmula del compuesto formado y la
estructura de Lewis resultante.
d) El tipo de sustancia que se ha formado.
b) Metilpropano
d) 2-propanol
=O
f) CH3—CH2—C—
H
16. ¿Cuál es la estructura de Lewis del carbono
en el diamante, el grafito, el grafeno y el carbino?
17. Añadimos oxidante en exceso al 1-propanol, al
2-propanol y al 2-metil-2-propanol. Formula y
nombra todos los compuestos que se pueden
formar e identifica los tipos de carbono.
18. Encuentra y nombra tres isómeros del C3H6O
y cinco del C4H8O2 (hay nueve al menos).
19. Nombra o formula:
a) 2,3-dimetilpentano b) dipropilamina
O
c) CH2=C=CH2
=
la tensión superficial
agua y permite
que
se
El proceso El
de proceso
limpieza de
consiste
en consiste
separar en separar
la tensióndel
superficial
del agua
y permite
que se
limpieza
mejor«moje»
el tejido
y se el
facilite
materiales diversos
de diversos
un sustrato
no al que «moje»
mejor
tejidolayseparación
se facilite la separación
materiales
de al
un que
sustrato
no
deben estar deben
unidos.estar
Vamos
a centrarnos
el
dehidrofóbica.
la suciedad hidrofóbica.
unidos.
Vamos aen
centrarnos
endeella suciedad
jabón de limpieza
o dede
manos.
jabón de
de ropa
limpieza
ropa o de manos.
Actividades básicas
Tarea competencial
Tarea competencial
Energía
Los adhesivos
Los adhesivos
d) CH3—C—CH=CH2
e) CH2=CH—COONH2 f) CH3—CH—COOH
UNIDAD 2
—
PON EN MARCHA
HABILIDADES
PON ENTUS
MARCHA
TUS HABILIDADES
El jabón El jabón
UNIDAD 68
2
Por el principio de Pascal, el aumento de
presión se comunica a todas las partes
del gas, y da lugar a una fuerza suficiente
para levantar el vehículo en las dos
columnas del elevador.
UNIDAD 5
MAPA CONCEPTUAL
68
Este compresor
introduce aire en
un pistón pequeño
del elevador au­
mentando su pre­
sión.
Sgrande = ⋅ r 2 = ⋅ 20 2 = 400 cm2
La fuerza que debe realizar el elevador corresponde al peso del coche. Por
tanto, la fuerza que debe realizar el aire comprimido es:
que muestra que, a mayor superficie A2,
mayor es la fuerza F2 que obtenemos.
Con un diseño adecuado, podemos
lograr fuerzas muy elevadas; por
ejemplo, para deformar una lámina de
acero, aplicando fuerzas moderadas.
A2
A1
Acompañan a la teoría
cuando los conocimientos
matemáticos lo requieren.
Disco de freno
El principio de Pascal afirma que la presión ejercida sobre un fluido incom­
presible situado en un recipiente cerrado de paredes rígidas se transmite
con igual intensidad en todas las direcciones y en todos los puntos del fluido.
1
Esa presión se comunica a unos
pistones de mayor superficie
(en color rojo en la imagen de
detalle) que presionan el disco
ligado a la rueda y la frenan. La
fuerza ejercida en la maneta se
multiplica en estos pistones y el
sistema logra mayor fuerza de
frenado.
Al apretar la maneta
de frenos, ejercemos
una presión sobre
un líquido existente
en estos tubos, cuya
sección lateral es
muy pequeña.
2. Necesitas una botella de plástico de 1,5 litros,
una carcasa de bolígrafo transparente, trocitos
Cámara llena
de alambre y cinta aislante.
de aire
Con la cinta tapa el agujerito lateral del bolígra­
Lastre
fo. La única abertura del bolígrafo debe ser la
(alambre,
plomo...)
inferior. Mete el alambre en cantidad suficien­
Boca no
te para que quede flotando. Cierra la botella y
taponada
aprieta lateralmente con la mano.
¿Qué trayectoria sigue el bolígrafo? Si aprietas
Agua
con más fuerza, ¿qué sucede?
Vuelve a apretar la botella y fíjate en la parte
inferior del bolígrafo. ¿Puedes explicar el movi­
miento del bolígrafo empleando el principio de Arquímedes?
Cuando no aprietas la botella, la carcasa permanece llena de aire. Para
que el agua pueda entrar dentro de esta carcasa, su presión debe ser ma­
yor que la de este aire. Al apretar la botella, ¿interaccionas con el agua?,
¿aumentas su presión?
La figura muestra una prensa
hidráulica, una de las principales
aplicaciones
del
principio
de Pascal. Puedes ver estas
prensas en numerosas industrias
y talleres. Por ejemplo, para el
conformado de piezas de acero.
Las prensas de la actualidad
emplean aire comprimido en
lugar de fuerza muscular.
EJEMPLOS
RESUELTOS
Otra aplicación muy importante del principio de Pascal son los sistemas de
frenos hidráulicos de automóviles o bicicletas:
Los líquidos son fluidos casi incompresibles, lo que significa que su volumen
varía muy poco al ejercer presión sobre ellos. El principio de Pascal explica
cómo responde un líquido cuando se efectúa presión sobre él.
FÍSICA 2.0
CH2—CH3
20. Indica todos los posibles números cuánticos
asociados a un orbital 3s, 2p y 4d.
21. ¿Por qué no puede existir un orbital 2d?
22. Justifica la estructura de Lewis del ácido fórmico (HCOOH), PCl3 , azufre (S8) y NCl3 .
23. Propón de manera razonada un orden en las
temperaturas de fusión de las siguientes sustancias: W, I2, NaF, Na2O, SiO2, MgO, Sn.
24. Justifica la evolución de las temperaturas de
fusión de los haluros de hidrógeno:
Compuesto
HF
HCl
TFUS (K)
190
158,3
153
184,6
TEBUL (K)
293
188,1
HBr
200
237,8
HI
25. ¿Qué relación existe entre los subíndices de
las fórmulas CaF2, SF2 y F2 y su estructura?
26. El agua posee un punto de fusión anormalmente elevado. ¿Qué ventaja biológica implica
y a qué es debido?
27. ¿Qué significa desnaturalizar una proteína
desde el punto de vista químico y qué interacciones se modifican?
28. Investiga el origen y las aplicaciones más importantes de los hidrocarburos en función del
número de carbonos de su cadena.
29. Realiza un cartel en el que muestres los principales grupos funcionales, la estructura básica,
algunos ejemplos, sus propiedades y aplicaciones.
30. Formula:
a) Ácido 2-etil-2-pronenoico
b) Butanoato de metilo
c) Etanoato de butilo
=
31. Nombra: a) CH3—C=C—C—
—
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SIMULACIONES
Y APLICACIONES 2.0
CH3—CH2
O
NH2
b) CH3 —CO—CH2—CO—CH3
UNIDAD 2
PON EN MARCHA TUS HABILIDADES
ACTIVIDADES FINALES
Una actividad tipo PISA y una Tarea
competencial por unidad, con las que
podrás poner en juego tus conocimientos,
habilidades y destrezas para resolverlas.
Divididas en básicas,
de consolidación y avanzadas,
con las que alcanzarás
los conocimientos necesarios.
67
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6
ENERGÍA
Una tormenta eléctrica, una llama o el simple hecho de pasar de página un libro son manifestaciones de la energía. El mundo que nos rodea está lleno de ella, es tan valiosa que nuestra sociedad se fundamenta en ella.
El abastecimiento energético es sin duda uno de los grandes problemas a los que nos enfrentamos, no solo los grandes países, sino también nosotros en nuestras tareas domésticas y cotidianas. Es tan importante, que el ser humano busca incansablemente nuevas fuentes de energía,
como es el caso de las energías renovables. Pero no solo hablamos de energía a gran escala,
también tenemos la energía que consumimos y gastamos a diario, «nuestra energía». En el fondo,
somos una acumulación de energía que entra y sale de nosotros.
La electricidad es solo una forma de presentarse la energía, aunque sin duda la más conocida.
Para poder abastecer a todo el mundo de ella y disfrutar de sus ventajas es necesario algo más
que buena voluntad: es necesario un trabajo de todos. La energía, como aprenderás en esta unidad, no se crea ni se destruye, pero es necesario saber compartirla.
Como dijo una vez Albert Einstein (1879-1955):
«Hay una fuerza motriz más poderosa que el vapor, la electricidad y la energía atómica:
la voluntad.»
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Sumario
1
2
3
4
5
6
7
Energía
Tipos de energía
Trabajo
Principio de conservación
de la energía
Potencia
Calor y energía
Máquinas térmicas
Te proponemos un reto
El ahorro energético es sin duda un problema para
todos nosotros. Todos queremos ahorrar en nuestra
factura de la luz. Pero ¿sabemos cómo hacerlo?
Existen muchas formas de ahorrar energía. Si buscas
en Internet o le preguntas a tus padres o a tus abue­
los, encontrarás consejos para ahorrar energía.
No pretendemos que las conozcas todas, pero sí que
sepas de su utilidad. Para ello te proponemos un reto:
1. Sal a la calle y realiza una encuesta. Debes pedir a
tus interlocutores que te digan cinco formas distin­
tas de ahorrar energía. Toma nota de las respuestas
de cada persona.
2. A cuantas más personas consultes, mejor. Una vez
que tengas suficientes datos, clasifícalas según al­
gún orden: por sus respuestas, por la eficiencia de
las propuestas, por la facilidad de respuesta, etc.
3. Expón los resultados en clase y a tus familiares.
¿Coinciden las medidas que proponen los ciudadanos
que has encuestado con las que proponen y poten­
cian los distintos estamentos u organismos?
En esta unidad conocerás la energía y sus formas de
presentarse. Esto te ayudará a comprender mejor
cómo poder utilizarla para tu beneficio, como es la po­
sibilidad de ahorrar en la factura de la luz.
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ENERGÍA 2.0
En el siguiente enlace
encontrarás animaciones,
explicaciones y activida­
des relacionadas con el
concepto de energía.
goo.gl/npkfxW
RECUERDA
La energía puede me­
dirse en otras unidades,
como la caloría (cal) o el
kilovatio−hora (kWh).
1 caloría = 4,18 J
1 kWh = 3,6 · 106 J
182
UNIDAD 6
1 Energía
La energía nos rodea, está presente en todas partes. Caminar, correr, ir en
bicicleta, escalar o encender el móvil son ejemplos de manifestación de la
energía.
PIENSA Y RAZONA
Responde a las siguientes cuestiones:
a) ¿Tiene energía un coche que se queda sin
gasolina?
b) Si ese mismo coche lo dejamos caer cuesta abajo sin gasolina, ¿tiene ahora
energía?
La energía es una propiedad que tienen todos los cuerpos que les permite
provocar cambios en sí mismos y en su entorno. Se mide en julios (J) en el
SI.
Cuanta más energía tenga un cuerpo, mayor será su capacidad para provocar
cambios, aunque la energía no es la causa de dichos cambios.
La energía se manifiesta tanto en los cambios físicos como en los químicos.
Por ejemplo, elevando un objeto, calentándolo o quemándolo.
Un cambio de estado es una
manifestación de la energía.
Quemar es una forma
de manifestación de la energía.
ACTIVIDADES
1. Las siguientes situaciones son ejemplos de manifestación de la energía.
Indica qué cambio se produce en cada caso:
a ) Un objeto cayendo.
b ) Ponerse al sol.
c ) Golpear una pelota.
d ) Hielo derritiéndose.
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1.1. Propiedades de la energía
La energía tiene una serie de propiedades que la hacen única. Vamos a com­
probarlo en un hecho cotidiano: cargar la batería de nuestro teléfono móvil.
Se transporta. Lo hace
a través del cable.
Se transforma. La energía
eléctrica de la red se
transforma en energía
química en la batería.
Se conserva. La energía
suministrada por la
red eléctrica pasa
totalmente al cargador.
Se almacena. En las
baterías de los móviles
se acumula la energía.
Se degrada. Al calentarse,
los móviles pierden energía
en forma de calor.
Se transfiere. La energía
pasa de la red al cargador,
y del cargador al móvil.
Añadiendo estas características, podemos definir la energía de la siguiente
manera:
La energía produce cambios en los cuerpos. Se puede transferir, transpor­
tar y almacenar, cambiar de una forma a otra y conservar en cantidad, aun­
que pierde en calidad durante dichos cambios.
Ocurre en ocasiones que parte de la energía se disipa durante un cambio,
provocando otro cambio. Es así como surgen los conceptos de energía útil y
energía degradada:
La energía útil se define como la parte de la energía que se pone en juego
y que provoca el cambio deseado.
La energía degradada es la parte de la energía que provoca un cambio no
deseado.
ENERGÍA 2.0
Practica tus conocimien­
tos de energía y sus pro­
piedades en este test de
autoevaluación.
goo.gl/z7GtJ7
ACTIVIDADES
2. Pon tres ejemplos de transferencia de energía entre dos cuerpos.
3. Propón un ejemplo, como en la figura del epígrafe 1.1, en el que se pongan de manifiesto todas las propiedades de la energía.
4. Cuando encendemos una bombilla, el 5% de la energía se emplea en iluminar. ¿En qué se emplea la parte restante? ¿Cuál es la energía útil y cuál, la
degradada?
5. Si la energía se transforma, ¿de dónde proviene la energía eléctrica generada en una central hidroeléctrica?
UNIDAD 6
183
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2 Tipos de energía
ENERGÍA 2.0
En el siguiente enlace
comprobarás diferentes
formas en las que puede
presentarse la energía.
goo.gl/P8gTet
Golpear una pelota, levantar un objeto, encender una bombilla... Se pueden
realizar muchos cambios distintos, todos los cuales llevarán asociado un tipo
de energía.
La energía puede presentarse de diversas formas. Vamos a centrarnos en la
energía mecánica y sus dos vertientes, la energía cinética y la potencial.
2.1. Energía cinética
Cuando caminas o corres, estás trasformando energía. Todo cuerpo en movi­
miento es capaz de producir cambios, por lo que lleva asociada una energía.
¿SABÍAS QUE...?
El sistema de frenada ERS
de los coches de Fórmu­
la 1 está basado en la con­
servación de la energía
en forma de energía ci­
nética. Puedes encontrar
más información en este
artículo:
goo.gl/aaTqUu
La energía cinética (Ec) es la que tiene todo cuerpo por el hecho de mo­
verse. Podemos calcular su valor mediante la siguiente expresión:
1
Ec = m · v 2
2
PIENSA Y RAZONA
Si un coche se estrella contra un objeto puede provocar grandes destrozos, lo que
es, por tanto, un ejemplo de manifestación de la energía que posee el vehículo.
a) ¿Qué puede provocar más daño, un coche con mayor masa o un coche a
más velocidad?
b) Según la expresión matemática, ¿qué factor influye más, la masa o velocidad?
EJEMPLO RESUELTO
1. Calcula la velocidad de una bala de 4 g cuya energía cinética es 2 880 J.
Solución
1 kg
m=4g ·
= 0,004 kg
Cada magnitud debe de ir en unidades del SI
1 000 g
Despejamos la velocidad de la ecuación de la energía cinética y sustituimos:
Ec =
1
m · v2
2
v=
2 · Ec
m
2 · 2 880
= 1 200 m · s−1
0,004
ACTIVIDADES
6. La energía cinética de una golondrina en vuelo
es el doble que la de una paloma. La masa de la
golondrina es la mitad que la masa de la paloma.
¿Cuántas veces es mayor la velocidad de la golondrina que la de la paloma?
184
v=
UNIDAD 6
7. Calcula la energía cinética de un adulto de 75 kg
que circula en una motocicleta de 100 kg a
120 km · h−1.
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2.2. Energía potencial
Una maceta situada en un segundo piso o un muelle estirándose son dos ejem­
plos de manifestación de energía potencial.
Existen dos tipos principales de energía potencial: gravitatoria y elástica.
A. Energía potencial gravitatoria
La energía potencial gravitatoria ( EP ) es la que tiene todo cuerpo situa­
g
do a cierta altura sobre el suelo. Podemos calcularla mediante la siguiente
expresión:
EP = m · g · h
¿SABÍAS QUE...?
En las centrales hi­
droeléctricas se aprove­
cha la energía potencial
gravitatoria de un salto
de agua para hacer girar
una turbina y convertirla
en energía eléctrica.
g
Donde m es la masa del cuerpo expresado en el SI y g la gravedad (9,8 m · s−2).
EJEMPLO RESUELTO
2. Calcula la altura a la que debe encontrarse el pájaro de la figura para que
su energía potencial sea de 14,35 cal. Su masa es de 500 g.
Solución
Todas las magnitudes deben estar situadas en el SI.
1 kg
4,18 J
EP = 14,35 cal ·
= 60 J
m = 500 g ·
= 0,5 kg
g
1 cal
1 000 g
Despejamos la altura en la expresión de la energía potencial gravitatoria:
EP
g
h=
EP = m · g · h
g
m·g
Sustituimos valores:
60
h=
= 12,24 m
0,5 · 9,8
ACTIVIDADES
8. Calcula la energía potencial de una maceta de 300 g que se encuentra en
un quinto piso de un edificio. Cada piso tiene una altura de 2,36 m.
9. Calcula la altura que tiene que tener una piedra de 100 g para tener la
misma energía potencial gravitatoria que la maceta de la actividad 8.
10. La energía potencial, ¿puede ser negativa? Justifica tu respuesta.
11. La energía potencial gravitatoria de un objeto, ¿sería la misma en la Tierra que en Marte? Razona tu respuesta.
2,36 m
2,36 m
2,36 m
2,36 m
2,36 m
2,36 m
12. ¿A qué altura debe elevarse un cuerpo de 5 kg para incrementar su
energía potencial en una cantidad igual a la energía que tendría si se
moviese a 40 km · h−1?
UNIDAD 6
185
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B. Energía potencial elástica
RECUERDA
La constante elástica (k)
tiene un valor para cada
cuerpo elástico. Nos
muestra la facilidad de
poder ser estirado. A ma­
yor valor, más resistencia
muestra a la variación de
longitud.
Siendo k la constante elástica del muelle medida en N · m−1 en el SI y x el des­
plazamiento respecto a la posición de equilibrio.
Todo cuerpo elástico es capaz de sufrir deformaciones reversibles, es decir, es
capaz de volver a su posición inicial. Ejemplos de cuerpos elásticos son los
muelles, una goma al estirarse o la cuerda de un arco.
x
EJEMPLO RESUELTO
x = 60 cm
186
La energía potencial elástica ( EP ) es la que posee todo cuerpo elástico
e
separado de su posición de equilibrio. Podemos calcularlo mediante la si­
guiente expresión:
1
EP = k · x 2
e
2
UNIDAD 6
3. Un arco de constante elástica k = 300 N · m−1 se estira 60 cm. Calcula la
energía potencial elástica que almacena.
Solución
El arco se separa 60 cm de su posición de equilibrio, este es el valor de x:
x = 60 cm = 0,6 m
Sustituimos en la expresión de la energía potencial elástica:
1
1
EP = k · x 2 ; EP =
· 300 · (0,6)2 = 54 J
e
e
2
2
La cuerda del arco almacena 54 J de energía al separarse 60 cm de su posición
de equilibrio.
ACTIVIDADES
13. Disponemos de un muelle de constante elástica 50 N · m−1. Calcula la
energía potencial elástica si se estira 25 cm de su posición de equilibrio.
14. Averigua el valor de la constante elástica de un muelle que almacena
15 cal al estirarse 30 cm de su posición de equilibrio.
15. La energía potencial elástica, ¿puede ser negativa? Justifica tu respuesta.
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2.3. Energía mecánica
Imaginemos un avión desplazándose a 800 km h−1 a una altura de 10 km. Tiene
energía cinética debido a su movimiento y energía potencial gravitatoria debi­
do a su altura. Estas energías acumuladas se pueden sumar, dando lugar así a
un nuevo tipo de energía.
La energía mecánica (Em) es el tipo de energía que posee todo cuerpo
por el hecho de moverse o encontrarse desplazado de su posición de equi­
librio. Se puede expresar así:
Em = Ec + Ep
¿SABÍAS QUE...?
La energía eólica aprove­
cha la energía mecánica
que genera el aire debi­
do a su movimiento. Es­
paña es considerada una
de las mayores potencias
mundiales en producción
de esta energía.
EJEMPLO RESUELTO
4. Calcula la energía mecánica del avión de la figura. La masa del avión es
de 20 000 kg.
Solución
Primero, todas las magnitudes en el SI: v = 850 km · h−1 = 236,1 m · s−1.
Luego, calculamos las energías que tenga el avión:
• El avión vuela a una velocidad determinada, por lo que tiene Ec.
1
1
Ec =
m · v2 =
· 2 · 10 4 · (236,1) 2 = 5,57 · 108 J
2
2
• Se encuentra a una cierta altura, por lo que también tiene energía potencial.
EP = m · g · h = 2 · 10 4 · 9,8 · 2 · 10 4 = 3,92 · 109 J
g
Por último, calculamos la energía mecánica. En este caso será la suma de am­
bas energías:
Em = 4,48 · 109 J
Em = Ec + Ep = 5,57 · 108 + 3,92 · 109
15
20
VELOCIDAD
25
10
30
5
35
40
0
km/h
ALTURA km
ACTIVIDADES
16. Calcula la energía mecánica de un saltador de longitud de 80 kg de masa,
cuando está en el aire a 2,5 metros sobre el suelo y con una velocidad de
9 m · s−1.
17. Calcula la altura a la que se encuentra una persona de 75 kg si está en el
tercer piso de un edificio. En estas condiciones posee una energía mecánica de 4 557 J.
18. ¿Quién tiene más energía mecánica, un objeto de 20 g parado a 3 m de
altura o un objeto de la misma masa a una velocidad de 3 m · s−1?
19. Realiza una gráfica en la que representes la energía cinética en el eje de
ordenadas y la velocidad en el eje de abscisas del saltador del ejercicio 16.
¿Qué forma tiene la gráfica?
ENERGÍA 2.0
En PhET dispones de
dos buenas simulaciones
que te permiten anali­
zar la conversión entre
energía manteniendo la
mecánica:
Pista de patinar «energía»
goo.gl/z6MrPV
UNIDAD 6
187
www.mheducation.es
3 Trabajo
ENERGÍA 2.0
En el siguiente enlace dis­
pones de una simulación
en la podrás comprobar
cómo cambia el trabajo
al modificar la distancia y
la fuerza aplicada.
Para ello selecciona Concepto de trabajo, den­
tro del apartado 2. El
Trabajo.
goo.gl/foFRmS
En la vida cotidiana se suele relacionar el trabajo con el esfuerzo. Una activi­
dad me cuesta trabajo realizarla si necesito emplear en ello un esfuerzo y vi­
ceversa. Sin embargo, se trata de una interpretación coloquial alejada del
concepto real.
EXPERIMENTA
Llevando tu mochila
1. Coge tu mochila como
se indica en las dos figu­
ras siguientes. En ambas
figuras aparece repre­
sentada la fuerza que
aplicas:
a) ¿En cuál realizas más
esfuerzo?
b) ¿En qué situación rea­
lizas más trabajo?
El trabajo viene asociado a una fuerza que desplaza un objeto, y no a un
esfuerzo.
El trabajo (W) de una fuerza se define como el producto entre el módulo
de dicha fuerza (F) por el desplazamiento producido (x).
W = F · x · cos a
Siendo W el trabajo medido en julios (J)
en el SI, F, el módulo de la fuerza en new­
tons (N), x, el desplazamiento en metros
(m) y a, el ángulo entre la fuerza aplicada
y el desplazamiento producido.
F
)
x
EJEMPLO RESUELTO
5. Calcula el trabajo necesario para mover un objeto de 300 g si lo queremos desplazar 1,5 m aplicando una
fuerza de 6 N con un grado de inclinación respecto a la horizontal de 30º.
F=6N
Solución
Todas las magnitudes deben aparecer en el SI:
m = 300 g = 0,3 kg
Aplicamos la expresión de W:
x = 1,5 m
m = 300 g
W = F · x · cos a = 6 · 0,3 · cos 30 = 1,56 J
188
UNIDAD 6
)
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EJEMPLO RESUELTO
6. Justifica cuándo el trabajo es positivo, negativo y nulo.
Solución
El W depende de tres variables, tal y como queda refle­
jado en la ecuación matemática. De ellos, el ángulo nos
permite saber cuándo el W es positivo, negativo o nulo.
Vamos a verlo en la siguiente figura:
a) W > 0 → a > 0
Cuando la fuerza aplicada forma un ángulo < 90º con el
desplazamiento, el W será positivo (cos a > 0). A su vez,

para el valor de 0º el W tendrá su valor máximo, cos a = 1.
Fr
Un ejemplo es la fuerza F que aplicamos al empujar un
coche.
b) W < 0 → a < 0
Cuando la fuerza y el desplazamiento forman un ángulo > 90º y < 180º el
W será negativo, alcanzando su valor más negativo para el ángulo de 180º
(cos a = −1). Un ejemplo es la fuerza de rozamiento, Fr.
c ) W = 0 → a = 90º
Cuando el ángulo comprendido entre la fuerza aplicada y el desplazamiento
es de 90º, el trabajo será nulo, cos (90º) = 0. Un ejemplo es el peso P.
Es posible calcular el trabajo total realizado por varias fuerzas. El trabajo es
una magnitud escalar, por lo que debemos sumar el trabajo desarrollado por
todas las fuerzas. En el ejemplo anterior, tendríamos:

F

P

x
WR = WF + WFr + WP
ACTIVIDADES
20. ¿Qué distancia recorrerá un cuerpo, inicialmente en reposo, si
realiza un trabajo de 500 J aplicándole una fuerza de 10 N paralela al
desplazamiento?
21. Calcula el trabajo realizado por cada fuerza y el trabajo total de un cuerpo de 2 kg de masa que se desplaza 500 cm deslizándose por un plano
inclinado de 30º:
a ) Considerando que no hay rozamiento.
b ) Con rozamiento, siendo el coeficiente de rozamiento de 0,2.
30°
)
22. Arrastramos un bloque una distancia de 20 m por un plano horizontal.
Realizamos para ello un trabajo de 1 500 J, que se utiliza en vencer la
fuerza de rozamiento. Calcula el valor de dicha fuerza.
UNIDAD 6
189
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3.1. Trabajo y energía
RECUERDA
En muchos fenómenos
podemos encontrar la
relación entre trabajo y
energía.
El gasto de energía que
necesita un pájaro para
empezar a volar, la frena­
da de una bala al pene­
trar en una pared, etc.
Cogemos un libro de nuestro escritorio. Se encontraba en reposo a cierta al­
tura y lo levantamos a una altura superior. Ahora su energía potencial gravita­
toria será superior a la que tenía inicialmente. ¿De dónde proviene esa energía
extra?
Trabajo y energía se miden en la misma unidad. ¿Son la misma magnitud?
Para levantar el libro una cierta distancia hemos realizado una fuerza, por lo
tanto, hemos realizado un trabajo. Pero tenemos también una variación de
energía. Podemos llegar entonces a la siguiente conclusión:
Todo trabajo supone una variación de energía. El trabajo es una forma de
intercambiar energía.
Este trabajo es el realizado por una fuerza exterior al cuerpo. Por tanto, se
trata de una fuerza que se realiza sobre el cuerpo, no que la realiza el propio
cuerpo.
El trabajo es, por consiguiente, una energía en tránsito. La forma de transmitir
la energía a través del trabajo es mediante la aplicación de fuerzas de un cuer­
po sobre otro. Para que haya trabajo, estas fuerzas deben provocar un despla­
zamiento del cuerpo.
Llamando Ef a la energía final y Ei a la energía inicial del cuerpo tenemos que:
W = DE = Ef − Ei
EJEMPLO RESUELTO
7. Ya hemos visto que el trabajo puede ser positivo o negativo. Relaciónalo con la variación de energía que
produce.
Solución
Puesto que el trabajo es la variación de energía, podemos encontrarnos con dos situaciones distintas. La varia­
ción de energía es positiva o negativa.
W>0
W<0
OBJETO
Cuando el objeto realiza el trabajo, pierde energía,
por lo que su energía final será inferior a la inicial:
DE < 0 → W < 0.
Un ejemplo es el trabajo realizado por la fuerza de
rozamiento.
190
UNIDAD 6
OBJETO
Cuando el trabajo lo realizamos sobre el objeto, gana
energía, por lo que su energía final será superior a la
inicial: DE > 0 → W > 0.
Un ejemplo es el trabajo realizado por el motor de
un coche al aumentar la velocidad del vehículo.
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EJEMPLO RESUELTO
8. Calcula el trabajo en los siguientes casos:
a ) El trabajo que realiza un motor de un coche de 1 500 kg para alcanzar
una velocidad de 20 m · s−1 partiendo desde el reposo.
b ) El trabajo que se realiza para elevar un objeto de 0,5 kg que se encon­
traba a una altura de 1,3 m hasta una altura de 2,9 m.
Solución
Para relacionar el trabajo con la variación de energía debemos saber qué tipo
de energía mecánica tenemos.
a ) Inicialmente el vehículo no tenía energía mecánica. Al adquirir velocidad,
adquiere energía mecánica en forma de energía cinética.
1
1
Ef = Ec =
· m · v2 =
· 1 500 · 202 = 3 · 105 J
Ei = 0 J
2
2
W = DE = Ef − Ei = 3 · 105 J
Por lo tanto
b ) Inicialmente el objeto tiene energía potencial gravitatoria. Al aumentar su
altura, el objeto ve aumentada su energía potencial.
Ei = EP = m · g · h = 0,5 · 9,8 · 1,3 = 6,37 J
IMPORTANTE
El trabajo está relacio­
nado con la variación de
la energía mecánica. Por
ello, debes tener muy
claro qué tipo o tipos de
energía mecánica tene­
mos en el ejercicio: ciné­
tica y/o potencial.
g
Ef = EP = m · g · h = 0,5 · 9,8 · 2,9 = 14,21 J
g
Por lo tanto
W = DE = Ef − Ei = 14,21 − 6,37 = 7,84 J
ACTIVIDADES
23. Un avión consigue despegar al alcanzar una velocidad de 300 km · h−1. Calcula el trabajo necesario para poder elevarlo hasta una altura de 15 km y
una velocidad de 800 km · h−1. Expresa el resultado en julios y en calorías.
v2 = 800 km · h−1
v1 = 300 km · h−1
h = 15 km
24. Calcula el trabajo que realiza una grúa para elevar un objeto de 8 500 hg
desde una altura inicial de 1,5 m hasta una altura final de 3,6 m.
25. Un vehículo A de masa mA realiza un trayecto con una velocidad vA. Otro
vehículo B de masa mB y velocidad vB realiza el mismo trayecto. Sabiendo que ambos parten desde el mismo punto y que la masa de A es el doble que la masa de B y que la velocidad de B es el triple que la de A, calcula
la relación entre los trabajos que realizan los motores de ambos vehículos.
UNIDAD 6
191
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4 Principio de conservación
de la energía
ENERGÍA 2.0
En el siguiente enlace
encontrarás un tutorial
en forma de vídeo en el
que se muestra cómo
construir paso a paso
un péndulo de Newton
casero.
goo.gl/cJ68Cr
192
El péndulo de Newton es un juguete que consiste en cinco bolas idénticas en
contacto, alineadas y colgadas verticalmente. Cuando se separa una de las
bolas de un extremo y se deja que choque contra las otras, se observa que la
bola que hay en el otro extremo se pone en movimiento y alcanza la misma
altura que la bola que se soltó inicialmente, permaneciendo el resto de bolas
en reposo. El movimiento es continuo y periódico.
E1= E
E4= E
Pg
Pg
h
h
E2
E3
Este hecho puede explicarse cuando el trabajo es cero, por lo tanto DE = 0,
lo que conlleva que la Ei y Ef sean idénticas. A esto se le llama principio de
conservación de la energía.
La energía ni se crea ni se destruye, se transforma una en otra.
La primera bola posee energía potencial gravitatoria al encontrarse a cierta
altura h. Contacta con la siguiente bola, transmitiéndole su energía, la cual va
transfiriéndose de bola a bola hasta llegar a la siguiente bola roja.
Esta energía se convierte en energía cinética, ascendiendo así la bola hasta
pararse. Esta energía se convierte en potencial gravitatoria.
La energía es siempre constante.
EXPERIMENTA
UNIDAD 6
Demuestra el principio de conservación
2. Vamos a comprobar la conservación de la energía. Necesitamos para ello
una pelota de baloncesto y una pelota de tenis. Deja caer la pelota de tenis
desde una cierta altura y comprueba la altura que alcanza al botar. Realiza
el mismo proceso para la pelota de baloncesto. Observarás que la altura es
distinta para cada caso.
Ahora coloca la pelota de tenis encima de la pelota de baloncesto y déjalas
caer simultáneamente.
a) La pelota de tenis, ¿asciende a la misma altura que dejándola caer sola?
b) Explica lo que ha ocurrido basándote en la conservación de la energía.
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De todos los tipos de energía, vamos a detenernos de nuevo en la energía
mecánica. Usando el principio de conservación de la energía podemos llegar a
la siguiente conclusión:
La energía mecánica se conserva durante el movimiento.
Vamos a comprobarlo en el siguiente ejemplo.
EJEMPLO RESUELTO
9. Dejamos caer una pelota de 100 g desde una altura de 1,2 m. Calcula la velocidad con la que ha contactado
con el suelo.
Solución
Puesto que el W = 0, se conserva la energía mecánica durante todo el trayecto de
la pelota. En el instante inicial, la energía mecánica que posee la pelota es energía
potencial.
1 kg
m = 100 g ·
= 0, 1 kg
1 000 g
EA = E = m · g · h = 0,1 · 9,8 · 1,2 = 1,176 J
EA = E
Pg
Pg
E = Ec + E
Pg
EB = Ec
Conforme va bajando, disminuye su altura y aumenta su velocidad, de tal manera que
disminuye su energía potencial gravitatoria y aumenta la energía cinética. La suma nos
dará siempre el mismo valor, 1,176 J, que es la energía mecánica de la pelota.
Al contactar con el suelo, toda la energía se ha transformado en energía cinética:
1
EB = Ec =
· m · v2
2
El valor de esta energía es de 1,176 J. De esta manera, aplicando el principio de
conservación de la energía:
1
1
· m · v2 ; 1,176 =
· 0,1 · v2 ; v = 4,85 m · s −1
EA = EB ; 1,176 =
2
2
ACTIVIDADES
26. Demuestra que la velocidad de caída de un objeto no depende de su
masa. Aplica para ello el principio de conservación de la energía.
27. Comprimimos 20 cm un muelle de constante elástica 20 N · m−1 y le colocamos un objeto de 150 g. Calcula la velocidad con la que saldrá el objeto
al soltar el muelle si todo el proceso sucede en horizontal.
28. Se lanza verticalmente y hacia arriba un objeto de 300 g con una velocidad de 3 m · s−1. Calcula:
a ) La energía mecánica inicial.
b ) La velocidad que tendrá cuando llegue a la mitad de la altura máxima.
c ) La altura máxima alcanzada.
d ) La velocidad con la que llegará al suelo de nuevo.
IMPORTANTE
En algunas situaciones,
como en el ejemplo,
podemos usar también
las ecuaciones de la
cinemática.
Tanto si usamos la ci­
nemática como la con­
servación de la energía,
obtendremos el mismo
resultado. En ciencia,
en ocasiones, es posible
más de un camino.
UNIDAD 6
193
www.mheducation.es
4.1. Energía y rozamiento
RECUERDA
Los aparatos electrónicos
se calientan, lo que pro­
voca pérdidas de energía
en forma de calor.
h1
194
UNIDAD 6
Si dejamos caer una pelota desde una altura, según el principio de conserva­
ción de la energía, la pelota debería subir después del bote hasta la misma al­
tura inicial. ¿Ocurre en la realidad?
PIENSA Y RAZONA
Una niña se balancea en un columpio. Cuando deja de ejercer alguna fuerza:
a) ¿Qué debería ocurrir según el principio de conservación de la energía?
b) ¿Qué es lo ocurre en la realidad?
En el caso de la pelota, sabemos que al botar ascenderá a una altura (h2) menor
que la inicial (h1), de tal manera que los botes sucesivos alcanzarán cada vez
menor altura.
La energía potencial es cada vez menor, debido a la pérdida de energía en
forma de calor, lo que provoca que pueda subir la temperatura de la pelota.
Entonces, ¿no se conserva la energía?
h2
La respuesta es sí. Este hecho nos permite reformular el enunciado del princi­
pio de conservación de la energía.
En ausencia de rozamiento y de cualquier trabajo externo, toda la ener­
gía se convierte en energía útil. No obstante, si existe rozamiento, parte
de ella se convierte en otros tipos de energía, como puede ser el calor.
EXPERIMENTA
Número de botes
3. Necesitamos pelotas de distinto tamaño, por ejemplo: baloncesto, tenis y
fútbol.
a) Deja caer las pelotas de una en una desde una misma altura.
b) Cuenta el número de botes que necesita cada pelota hasta pararse.
c) ¿El número de botes es el mismo para cada caso? Encuentra una expli­
cación a lo que has podido observar en este experimento.
ACTIVIDADES
29. Dejamos caer una pelota de 80 g de masa desde una altura de 250 cm.
En el primer bote la pelota ha perdido un 20% de su energía en forma de
calor.
a ) Determina el calor perdido.
b ) Calcula la altura del segundo bote.
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Hemos comprobado que la energía puede disiparse en forma de calor. Existen
otras formas de pérdida de energía, como por ejemplo el trabajo de rozamiento. Esta pérdida nos explica por qué un objeto en movimiento es capaz de de­
tenerse aunque cese la fuerza que hemos aplicado para iniciar el movimiento.
EJEMPLO RESUELTO
10. Hacemos deslizar una pelota de tenis de 80 g por el suelo proyectándole
una velocidad de 1,5 m · s−1. El suelo tiene un coeficiente de rozamiento
de 0,1. Justifica las transformaciones energéticas que han ocurrido y la
distancia recorrida por la pelota hasta detenerse.
Solución
Trabajo de rozamiento Wr
FROZAMIENTO
vi = 1,5 m · s−1
ENERGÍA 2.0
En el siguiente enlace
dispones de una simu­
lación en la que puedes
calcular el trabajo y el
trabajo de rozamiento.
goo.gl/Ezalpk
vf = 0 m · s−1
FPESO
d
Inicialmente la pelota posee energía mecánica en forma de energía cinética
(Ei = Ec). Al ir avanzando, dicha energía se va disipando en forma de trabajo
de rozamiento debido al contacto con el suelo. Cuando la pelota se para, su
energía mecánica será cero (Ef = 0).
Aplicando el principio de conservación de la energía
Wr = Ef − Ei
1
1
Wr = 0 − Ec
· m · v2
−Fr · d = − · m · v 2
Fr · d =
2
2
1 kg
m = 80 g ·
= 0,08 kg
Por lo tanto
1 000 g
Fr = m · N = m · m · g = 0,1 · 0,08 · 9,8 = 0,0784 N
Sustituyendo los datos:
1
· m · v2 = Fr · d ;
2
1
· 0,08 · 1,52 = 0,0784 · d
2
;
d = 1,14 m = 114 cm
EL LABORATORIO EN EL AULA Trabajo de rozamiento
1. Construiremos una pequeña rampa, por la cual dejaremos caer una canica para observar qué distancia re­
corre al deslizarse por distintos suelos. De esta forma comprobaremos el efecto del trabajo de rozamiento.
El montaje experimental es sencillo: preparamos con una caja de car­
tón una rampa, a la que añadimos dos pajitas de plástico, de tal forma
que formen un carril por el que descenderá la canica.
Dejamos caer por el carril la canica y medimos la distancia que alcan­
za hasta detenerse. Se pueden emplear distintos suelos, como arena,
una toalla o madera...
¿En qué suelo es mayor la pérdida de energía por rozamiento?
UNIDAD 6
195
www.mheducation.es
5 Potencia
ENERGÍA 2.0
Simulación de un mon­
tacargas en el que pue­
des modificar ciertas
variables para comprobar
cómo varía la potencia.
goo.gl/FnJXuw
196
El término potencia se utiliza de forma coloquial con bastante frecuencia. En
los electrodomésticos, por ejemplo, aparece el valor de su potencia. Además,
solemos usarlo en el lenguaje cotidiano al hablar de vehículos o de deportes.
PIENSA Y RAZONA
En el ámbito deportivo se suelen emplear frases como «es un jugador muy
potente físicamente» o «sus lanzamientos son muy potentes».
a) ¿A qué se refieren estas frases con el término potencia?
b) ¿Es la potencia una magnitud?
En la mayoría de las transformaciones energéticas el tiempo es un factor im­
portante. Si una máquina realiza un trabajo, no solo importa la cantidad de
energía que produce, sino también el tiempo que tarda en hacerlo.
La potencia (P) es el ritmo al que se produce o se consume la energía por
unidad de tiempo.
W
P=
T
Se mide en watios (W) en el SI. Un watio equivale a realizar un julio de trabajo
en un segundo.
Existen otras unidades, usadas coloquialmente, como el caballo de vapor (CV),
que se utiliza para expresar la potencia en vehículos (1 CV = 735,5 W).
EJEMPLO RESUELTO
UNIDAD 6
11. Un montacargas consigue elevar un peso de 500 kg hasta una altura de
18 m. Tarda un tiempo de 35 s en realizar el proceso.
a ) Calcula la potencia del montacargas en watios.
b ) Calcula la potencia en caballos de vapor.
Solución
a ) Con los datos de los que disponemos, relacionamos el trabajo con la ener­
gía. Inicialmente, el objeto no tenía energía potencial ni cinética; en la altu­
ra máxima, la energía mecánica será la potencial gravitatoria.
W = DE = EP − 0 = m · g · h = 500 · 9,8 · 18 = 88 200 J
g
Por lo tanto, P =
W
88 200 J
=
= 2 520 W
t
35 s
b ) Realizando el factor de conversión: 2 520 W ·
1 CV
= 3,43 CV
735,5 W
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EXPERIMENTA
Calcula tu potencia
4. Para realizar este experimento tan solo necesitamos arroz u otro producto
similar, cinta métrica, un cronómetro y un edificio con varias plantas. Nece­
sitarás, además, la ayuda de algún compañero.
a) Con la cinta métrica mide la altura que existe entre la planta baja y el
primer piso del edificio.
b) Escoge una cantidad fija de arroz, como por ejemplo 1 kg.
c) Desde la planta baja, asciende por las escaleras hasta la primera planta
con el arroz. Mide el tiempo que tardas en ello. Tu compañero puede
llevar el cronómetro y esperarte en la primera planta.
d) Calcula el trabajo realizado para subir el arroz relacionándolo con la
energía.
e) Calcula la potencia que has empleado en el proceso.
Puedes repetir este experimento con varias masas distintas de arroz o pe­
dir a tus compañeros que hagan la misma actividad. Compara luego los
resultados.
W = ∆E = EPg
EPg
h
E=0
Podemos obtener la potencia con una nueva expresión para el caso de que el
objeto sufra un desplazamiento. En este caso obtenemos una expresión de la
potencia relacionada con la fuerza aplicada para producir ese cambio y la ve­
locidad adquirida.
W
F·x
P=
=
t
t
Recordemos
x
que v =
t
P=F·v
La expresión es válida solo en el caso de un MRU. Podemos deducir en este
caso que la potencia depende proporcionalmente de la fuerza aplicada y de la
velocidad empleada en el desplazamiento.
ACTIVIDADES
30. Un escalador con una masa de 60 kg invierte 30 s en escalar una pared
de 10 m de altura. Calcula:
a ) El trabajo realizado por el escalador. b ) La potencia del escalador.
31. Calcula la potencia del motor de un coche de 1 500 kg si es capaz de alcanzar los 100 km · h−1 en 2,3 s. Expresa el valor en W y en CV.
ENERGÍA 2.0
32. Calcula la potencia que necesitas para mover un objeto a una velocidad
de 28 km · h−1 aplicando una fuerza de 12 N.
Repasa tus conocimien­
tos. Realiza una auto­
evaluación sobre los
conceptos de trabajo,
energía y potencia.
goo.gl/5a6i1P
33. Un motor aplica 40 CV para impulsar un automóvil a lo largo de una pista
nivelada a 15 m · s−1. ¿Cuál es el valor de la fuerza total de rozamiento con
el suelo que actúa sobre el coche?
UNIDAD 6
197
www.mheducation.es
CIENCIA 2.0
Calor y temperatura son
dos conceptos que sole­
mos usar como si signifi­
caran lo mismo.
En este artículo encon­
trarás una explicación
sobre sus diferencias y
un ejemplo.
goo.gl/cnopm5
¿SABÍAS QUE...?
La termodinámica es una
rama de la física que se
encarga del estudio de
las formas de energía y
de sus transformaciones:
calor y trabajo.
198
UNIDAD 6
6 Calor y energía
«¡Qué calor hace!» o «Tengo frío» son expresiones que solemos usar a menudo.
Los conceptos de calor y frío los utilizamos habitualmente para referirnos a
temperaturas altas o bajas. Pero ¿usamos estos términos de forma correcta?
PIENSA Y RAZONA
«Mañana hará más calor», «En tu habitación hace más frío que en la mía»,
pueden ser frases que hayas escuchado, o incluso pronunciado, en numerosas
ocasiones.
a) ¿A qué nos referimos con «hace más calor»?
b) ¿Y con «hace más frío»?
c) ¿Podemos medir de alguna manera ese calor y ese frío?
Los conceptos calor y temperatura se suelen emplear como sinónimos en el
habla coloquial, pero no significan lo mismo.
El calor es la cantidad de energía que se transfiere entre dos cuerpos a
distinta temperatura al ponerlos en contacto.
El calor no es energía, sino transferencia de ella, y, por tanto, ambos, calor y
energía, se miden en la misma unidad, julios (J). Si ponemos en contacto dos
cuerpos a distinta temperatura, el cuerpo a mayor temperatura le cederá ener­
gía al cuerpo a menor temperatura.
EXPERIMENTA
Sensación térmica
5. Para esta experiencia se necesitan tres vasos con la misma cantidad de
agua a tres temperaturas distintas, una jarra vacía y un termómetro.
10 ºC
30 ºC
50 ºC
A
B
C
a) Introduce la mano en el vaso C y posteriormente en el vaso B. ¿Qué
sensación has tenido, de frío o de calor?
b) Introduce ahora la mano en el vaso A y luego en el vaso B. ¿Qué sensa­
ción has tenido esta vez?
c) Mezcla en la jarra el contenido de los tres vasos. ¿Qué temperatura
debería indicar el termómetro?
d) Indica el sentido de las transferencias de energía que se han producido.
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6.1. Energía interna
La teoría cinética de la materia enuncia que la materia está formada por partí­
culas que se encuentran en continuo movimiento caótico. ¿La energía está
relacionada con ese movimiento?
PIENSA Y RAZONA
Te encuentras de pie y quieto. En esta situación, ¿tienes energía? Si la respues­
ta es afirmativa, ¿de qué tipo de energía se trata?
Las partículas tienen masa y se mueven a una velocidad, por lo que llevan aso­
ciada una energía cinética. Existen fuerzas de interacción entre ellas, lo que
implica que presentan energía potencial. La suma de ambas nos da una idea de
la energía que posee esa materia. A esa energía se le llama la energía interna.
ENERGÍA 2.0
En esta página encontra­
rás una simulación con
la que podrás compro­
bar cómo se relaciona
la energía interna con el
volumen de un gas ideal.
goo.gl/Jdf5iD
La energía interna (U) es la energía que poseen todos los cuerpos por el
simple hecho de ser materia.
Es imposible calcular la energía interna de una sustancia. Solamente podemos
conocer sus variaciones, DU, la energía ganada. En ausencia de trabajo exter­
no, se puede afirmar que el calor es igual a la variación de energía interna.
Si no hay trabajo externo Q = DU
Para distinguir entre calor absorbido y calor cedido, usamos un criterio de
signos.
Q < 0 ; calor cedido
Q > 0 ; calor absorbido
A. Temperatura
La energía interna de una sustancia está relacionada con su temperatura.
A mayor temperatura, mayor movimiento de las partículas, lo que se traduce
en mayor energía cinética de las partículas y, por tanto, en mayor energía
interna.
La temperatura (T) es una magnitud que indica la «calidad» de la energía
interna de una sustancia. Se mide en kelvin (K) en el SI.
Actualmente se utilizan tres unidades distintas para manejar la temperatura:
celsius (ºC), kelvin (K) y fahrenheit (F). Sus conversiones son las siguientes:
9
· T(ºC) + 32
T(K) = T(ºC) + 273 ; T(ºF) =
5
ACTIVIDADES
34. ¿Por qué la temperatura se mide en kelvin en el SI? ¿Qué utilidad tiene
esa unidad? Investiga sobre ello.
ENERGÍA 2.0
Conoce más sobre la
temperatura. En este en­
lace encontrarás más in­
formación acerca de esta
magnitud y sus diferen­
tes unidades de medida.
goo.gl/be2x9g
UNIDAD 6
199
www.mheducation.es
IMPORTANTE
Apliquemos nuestros co­
nocimientos. Un fuego se
propaga de igual forma
que el calor, por conduc­
ción, convección y radia­
ción. Por lo tanto, conocer
las formas en las que un
incendio puede propa­
garse puede ser de vital
importancia a la hora de
sofocarlo.
200
UNIDAD 6
6.2. Propagación del calor
El calor es una transferencia de energía, pero ¿cómo se produce esa transferencia?
El calor se propaga de tres formas distintas: conducción, convección y radiación.
EL LABORATORIO EN EL AULA Conducción
2. Necesitamos varillas de distintos materia­
les: hierro, cobre, madera y aluminio. Se co­
locan en un recipiente que resista bien el
calor y se le añade agua caliente. Al cabo
de un tiempo, tocamos el extremo de la va­
rilla de cada material: ¿están calientes? ¿La
sensación es diferente según el material?
La conducción se produce por contacto y sin transporte de materia. Las mo­
léculas transmiten su energía de una a otra hasta que alcanzan el equilibrio.
Es el mecanismo de propagación del calor característico de los sólidos.
EXPERIMENTA
Convección
6. Corta una hoja de papel en peque­
ños trozos. Introdúcelos en un vaso
con agua. Calienta el vaso y observa
cómo se mueven los trozos de papel.
¿Cuál es la dirección de movimiento
de los trozos de papel?
En la convección se produce transferencia de materia. Se produce en los
líquidos y gases. Al calentar, disminuye la densidad del fluido, que ascien­
de provocando un movimiento de descenso de las moléculas más frías
(más densas) que se encuentran en la capa superior. A este movimiento de
ascenso y descenso se le llama corriente de convección.
Si encendemos una vela y aproximamos una mano notamos sensación de calor.
El calor es capaz de transferirse aunque no exista contacto entre los cuerpos.
La radiación es la propagación del calor sin que exista contacto entre los
dos cuerpos. Se produce en el vacío. Todos los cuerpos emiten radiación.
ACTIVIDADES
35. Realiza un trabajo en vídeo en el que indiques el movimiento de las moléculas al calentar un cazo de metal que contenga agua.
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6.3. Efectos del calor
El calor puede provocar distintos efectos, depende del material que utilicemos.
Tabla de datos
A. Variación de temperatura
ce (agua)
4 180 J · kg−1 · K−1
Un efecto del calor es la variación de temperatura que alcanza un objeto que
aumenta o disminuye según tengamos aumento o disminución de energía.
ce (aire)
1 012,5 J · kg−1 · K−1
ce (hierro)
460 J · kg−1 · K−1
Podemos calcular matemáticamente la energía necesaria en forma de calor
para provocar una variación de temperatura como:
ce (hielo)
2 090 J · kg−1 · K−1
ce (vapor
de agua)
1 840 J · kg−1 · K−1
Lf (agua)
334,4 kJ · kg−1
Lv (agua)
2 245 kJ · kg−1
Q = m · ce · DT
Donde Q es la cantidad de calor, m, la masa, DT, la diferencia de temperatura y
ce, una constante llamada calor específico, que se define como:
El calor específico es la cantidad de calor que hemos de suministrar a 1 kg
de una sustancia para que aumente su temperatura en un kelvin.
El calor específico tiene un valor diferente para cada sustancia. Nos muestra la
capacidad que tiene una sustancia para absorber o ceder energía. Se mide en
J · kg−1 · K−1 en el SI, aunque también se emplea con frecuencia cal · g−1 · ºC−1.
EXPERIMENTA
Calor específico
7. Llena un globo de agua y ponlo encima de una vela, como en la figura.
¿Qué sucede? Explica el fenómeno basándote en los calores específicos.
EJEMPLO RESUELTO
12. Calcula la energía necesaria para aumentar la temperatura de 250 mL de agua desde 10 ºC hasta 50 ºC.
Solución
Sabemos que la densidad del agua a 4 ºC es de 1 g · mL−1. Asumiendo que se mantiene constante en el proceso:
1g
1 kg
Q = m · ce · DT = 0,25 · 4 180 · (50 − 10) = 41 800 J
·
m = 250 mL ·
= 0,25 kg
1 mL 1 000 g
ACTIVIDADES
36. Calcula el calor necesario para elevar la temperatura de 300 g de acero inoxidable desde 280 K hasta
60 ºC. Dato: ce(acero): 510 J · kg−1 · K−1.
37. Un iglú es un refugio construido enteramente con nieve. En su interior, la temperatura es superior que
en el exterior. Gracias a ello, se utiliza para cobijarse en lugares muy fríos. ¿Cómo puede ser posible esta
diferencia de temperatura?
UNIDAD 6
201
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B. Equilibrio térmico
ENERGÍA 2.0
En el siguiente laborato­
rio virtual podrás realizar
mezclas a distintas can­
tidades y distintas tem­
peraturas, comprobando
cómo varía la temperatu­
ra de equilibrio.
goo.gl/tdSyZW
Cuando ponemos en contacto dos cuerpos a distinta temperatura, el cuerpo
de mayor temperatura cede energía al de menor temperatura. Pero ¿cuándo
cesa este tránsito de energía?
EL LABORATORIO EN EL AULA Temperatura de equilibrio
3. Realiza las siguientes experiencias:
a) Mezcla 200 mL de agua a 30 ºC con 200 mL de agua a 50 ºC. ¿Qué
temperatura tiene la mezcla? ¿El valor de la temperatura es constante
en el tiempo?
b) Mezcla 200 mL de agua a 30 ºC con 400 mL de agua a 50 ºC. ¿Qué
temperatura marca el termómetro? ¿A qué conclusión podemos llegar?
Cuando ponemos en contacto dos cuerpos a distinta temperatura, el tránsito
de energía será del cuerpo de mayor temperatura al cuerpo de menor tempe­
ratura hasta que las temperaturas de ambos se igualen. De esta manera se
obtiene una temperatura final, llamada temperatura de equilibrio. A este su­
ceso se le denomina equilibrio térmico.
EJEMPLO RESUELTO
13. Mezclamos 250 g de agua a 80 ºC con 100 g de hierro a 20 ºC. ¿Cuál es la temperatura final de la mezcla?
Solución
Calculamos el valor del calor cedido por el agua líquida y absorbido por el hierro hasta que lleguen al equilibrio:
Q (agua) = m · ce · DT = 0,25 · 4 180 · (Tf − 80) Q (hierro) = m · ce · DT = 0,1 · 460 · (Tf − 20)
Según el equilibro térmico, el cuerpo a mayor temperatura (el agua) le cede energía al cuerpo a menor tempera­
tura, el hierro, hasta que se alcance un valor constante de temperatura. Por tanto, la energía cedida por el cuer­
po más caliente debe ser igual a la energía captada por el cuerpo más frío. Una vez más, recurrimos al principio
de conservación de la energía.
Según el criterio de signos, un calor cedido se expresa como negativo, mientras que un calor absorbido se expre­
sa como positivo. Por lo tanto:
Qcaliente + Qfrío = 0
0,25 · 4 180 · (Tf − 80) = −0,1 · 460 · (Tf − 20)
Qcaliente = −Qfrío
0,25 · 4 180 · (Tf − 80) = 0,1 · 460 · (20 − Tf )
m · ce · DT = −m · ce · DT
Tf = 77,47 ºC
202
UNIDAD 6
ACTIVIDADES
38. Mezclamos 500 g de agua a 30 ºC con 500 g de cobre a 50 ºC. Calcula
la temperatura final de equilibrio. Dato: ce(cobre) = 390 J · kg−1 · K−1.
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C. Cambios de estado
El calor no solo puede modificar la temperatura, también puede provocar cam­
bios de estado. Por ejemplo, si añadimos estaño caliente a alta temperatura en
un vaso de agua, se producirá la emisión de vapor de agua.
Para poder calcular el calor necesario para este caso recurrimos a la siguiente
expresión:
Q = m · L Siendo L el calor latente
El calor latente (L) se define como la energía requerida para que un kilo­
gramo de una sustancia cambie de estado. Se mide en J · kg−1 en el SI.
ENERGÍA 2.0
En el siguiente enlace se
puede ver un vídeo en el
que se explican paso a
paso los diferentes cam­
bios de estado.
goo.gl/VX1Pzv
Según el cambio de fase, tendremos calor latente de fusión (Lf ), calor latente
de ebullición (Lv), etc.
sublimación
fusión
vaporización
Sólido
Líquido
solidificación
Gaseoso
condensación
sublimación inversa
EJEMPLO RESUELTO
14. Calcula el calor necesario para fundir 500 g de hielo a 0 ºC.
Dato: Lf = 334 400 J · kg−1
RECUERDA
Solución
Nos encontramos ante un cambio de fase, por lo que aplicamos la siguiente
expresión:
Q = m · Lf Sustituyendo valores en el SI:
Q = 0,5 · 334 400 = 167 200 J
Aunque parecen simultá­
neos, no hay cambio de
temperatura y cambio
de estado a la vez. Son
dos procesos diferentes.
ACTIVIDADES
39. Si partimos de la misma cantidad de hielo que de agua líquida, y pretendemos efectuar los correspondientes cambios de estado, con las temperaturas adecuadas, ¿en qué proceso necesitamos aplicar más energía, en
la fusión o en la vaporización? ¿Qué dato necesitas observar para ello?
40.Calcula el calor necesario para cambiar a estado sólido 250 g de mercurio en estado líquido. Dato: Lf (mercurio) = 11 400 J · kg−1.
UNIDAD 6
203
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EJEMPLO RESUELTO
Temperatura (ºC)
15. Calentamos 100 g de hielo a −10 ºC hasta obtener vapor de agua a 160 ºC. Representa gráficamente los
cambios de temperatura y cambios de estado ocurridos y calcula la cantidad de energía necesaria para
realizar dicho proceso. Puedes encontrar los datos en la tabla del epígrafe 6.3.
Solución
La gráfica sería la siguiente. En ella podemos observar los cambios de estado producidos a 0 ºC y 100 ºC y
cómo en ellos la temperatura permanece constante. Los valores de tiempo son aproximados.
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
–20
–40
Q5
Q4
Q3
Q1
0
Q2
5
10
15
20
25
30
35
Tiempo (minutos)
Los cambios de temperatura y los cambios de fase no ocurren simultáneamente. Tenemos así distintas etapas,
cada una con su valor de calor necesario:
HIELO −10 ºC
Q1
HIELO 0 ºC
Q2
AGUA 0 ºC
Q3
AGUA 100 ºC
Q4
VAPOR 100 ºC
Q5
VAPOR 160 ºC
Utilizamos una expresión distinta según tengamos cambio de temperatura o cambio de fase. Calculamos el valor
del calor para cada etapa:
Cambio de temperatura
Q1 = m · ce(hielo) · DT = 0,1 · 2 090 (0 − (−10)) = 2 090 J
Cambio de fase
Q2 = m · Lf = 0,1 · 334,4 · 103 = 33 440 J
Cambio de temperatura
Q3 = m · ce(agua) · DT = 0,1 · 4 180 · (100 − 0) = 41 800 J
Cambio de fase
Q4 = m · Lv = 0,1 · 2 245 · 103 = 224,500 J
Cambio de temperatura
Q5 = m · ce(vapor) · DT = 0,1 · 1 840 (160 − 100) = 11 040 J
La energía total necesaria será la suma de la energía de cada etapa: Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 = 307 870 J.
204
UNIDAD 6
ACTIVIDADES
41. Calcula el valor de energía necesario para transformar 600 g de agua
líquida a 30 ºC en vapor de agua a 150 ºC.
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D. Dilatación
El calor no solo es capaz de provocar un cambio de temperatura o un cambio
de estado: también puede provocar el fenómeno de la dilatación.
La dilatación es el aumento de longitud debido a un aporte de calor.
El aumento puede ser en las tres dimensiones. No obstante, atenderemos úni­
camente al aumento lineal, es decir, en una sola dimensión.
Valores de coeficientes
dilatación lineal
a (cobre)
1,7 · 10 −5 K−1
a (aluminio)
2,4 · 10 −5 K−1
a (hierro)
1,2 · 10 −5 K−1
Se puede calcular el aumento de longitud mediante la siguiente expresión
matemática:
Dl = incremento a la
izquierda de longitud ( l − l o).
Dl = l o · a · DT
l o = longitud inicial.
DT = incremento
de temperatura.
a = coeficiente de dilatación lineal.
El coeficiente de dilatación lineal (K−1) es único para cada sustancia y nos mues­
tra la facilidad de dilatación de cada material.
EL LABORATORIO EN EL AULA Dilatación del cobre
4. Para esta práctica necesitamos un mechero Bunsen y un hilo de cobre de
15 a 20 cm de longitud.
Mide la longitud inicial del cobre y, extremando las precauciones, calienta
el hilo en la llama durante un tiempo. Al calentarse observarás que el cobre
se ilumina.
Con mucho cuidado, mide la longitud del hilo de cobre mientras esté caliente.
a) ¿Cuál es la nueva longitud?
b) Calcula el coeficiente de dilatación lineal del cobre con los datos obte­
nidos y compáralo con el valor real. Toma como temperatura inicial la
del laboratorio y como temperatura final 1 500 ºC, que es la tempera­
tura aproximada de la llama.
ACTIVIDADES
42. Calcula el aumento de longitud que experimenta una lámina de cobre de
15 cm al aumentar su temperatura 30 ºC.
¿SABÍAS QUE...?
43. ¿Cuál será el coeficiente de dilatación lineal de un metal, sabiendo que
la temperatura varía de 95 ºC a 20 ºC cuando un alambre de este metal
pasa de 160 m a 159,82 m?
El fenómeno de la dilata­
ción es importante en las
construcciones.
En la construcción de
grandes puentes metáli­
cos se añaden las juntas
de dilatación.
44. Disponemos de dos metales, A y B, cuyos coeficientes de dilatación lineal
son: a(A) = 23 · 10−6 K−1, a(B) = 9 · 10−6 K−1 ¿Cuál de los dos dilatará más
fácilmente?
UNIDAD 6
205
www.mheducation.es
¿SABÍAS QUE...?
Un frigorífico es una má­
quina térmica que traba­
ja a la inversa.
Para poder enfriar toma
calor del foco frío y lo
cede al foco caliente.
Para ello es necesario
un aporte de trabajo, W,
conectándolo a la red
eléctrica.
206
UNIDAD 6
7 Máquinas térmicas
¿Sabías que un coche y un frigorífico tienen algo en común? Ambos son ejem­
plos de máquinas térmicas.
Las máquinas térmicas son dispositivos mecánicos que aprovechan una
fuente de calor para realizar un trabajo mecánico. Pueden ser de combus­
tión externa o interna.
Son los dispositivos que más han contribuido en el progreso del desarrollo
tecnológico actual. Se han convertido en imprescindibles en muchos aspectos
de la vida moderna, ya sea directa o indirectamente, facilitando y realizando
tareas que hacen la vida más fácil.
EXPERIMENTA
Fabrica tu propia máquina térmica
8. Llena una lata de refresco con un poco de agua. Haz dos orificios oblicuos
en su pared lateral y tapa el orificio que tiene la lata por arriba.
Calienta la lata, de tal manera que, cuando el agua entre en ebullición, el
vapor formado salga por dichos orificios en chorros de sentidos contrarios
y tangentes a la pared de la lata.
Por último, cuelga la lata por medio de un hilo. ¿Realiza algún movimiento?
Una máquina térmica funciona de la siguiente manera:
Foco caliente (T1)
Q1
La máquina toma una
cantidad de calor, Q 1,
de una fuente caliente
a una temperatura T1.
Máquina
térmica
Cede una cantidad de
energía en forma de
calor, Q2, a un foco
frío a la temperatura
T2, siendo T2 < T1.
W = Q1 − Q2
Q2
Foco frío (T2)
Convierte parte del calor
Q 1 en trabajo mecánico,
W, que realiza la máquina.
El balance energético será
el siguiente:
Q1 = W + Q2
Operando llegamos a la
expresión del trabajo.
ACTIVIDADES
45. Investiga sobre la evolución histórica de las máquinas térmicas y realiza
un trabajo de investigación incidiendo en su repercusión en la sociedad.
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7.1. Máquina de combustión externa
Desarrolladas a comienzos del siglo xix, las máquinas de combustión externa
sirvieron como base para el desarrollo de la industria en Occidente, así como
para la aparición de nuevos medios de transporte, como el tren y el barco a
vapor.
Las máquinas térmicas de combustión externa aprovechan la fuerza ex­
pansiva del vapor del agua generado en un foco emisor situado en el exterior de la propia máquina para realizar trabajo.
Un ejemplo es la máquina de vapor. Veamos un esquema de este tipo de
máquinas.
1
2
Se calienta agua hasta
ebullición lo que genera
vapor de agua.
El vapor de agua empuja el pistón. Se produce un
movimiento mecánico (trabajo) debido al movimiento
del sistema biela-manivela en el interior de la máquina.
Pistón
Condensador
Caldera
Máquina
Bomba
Calor
4
El vapor condensado es empujado por
una bomba a la caldera reiniciándose
así el ciclo.
3
El vapor más frío se condensa
en un condensador.
ACTIVIDADES
46. Describe las distintas partes de una máquina de vapor. Indica su utilidad
y función.
47. Actualmente el uso de las máquinas de vapor es bastante escaso. ¿Qué
inconvenientes tiene este tipo de máquinas?
UNIDAD 6
207
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7.2. Máquina de combustión interna
Las máquinas de combustión interna supusieron un gran avance respecto a
las máquinas de vapor. El combustible es ahora quemado en el interior de la
máquina, lo que disminuye los riesgos de dicha combustión y aumenta su
rendimiento.
¿SABÍAS QUE...?
Los motores diésel y ga­
solina presentan grandes
diferencias. Según el uso
que se haga del vehículo,
es recomendable uno u
otro. En el siguiente ar­
tículo se resumen las di­
ferencias entre estos dos
tipos de motores.
goo.gl/Df3kMT
Las máquinas térmicas de combustión interna, o de explosión, aprove­
chan la fuerza expansiva de los gases de una reacción química dentro de
la propia máquina para transformarla en trabajo.
En función del combustible que utilicen, podemos encontrarnos dos tipos de
motores para estas máquinas:
• Motores Otto: el combustible es gasolina y la combustión es producida por
una chispa.
• Motores diésel: el combustible es gasóleo y la combustión es producida
por una compresión.
Veamos un ejemplo de motor de combustión interna.
1
3
Los gases producidos
en la reacción química
mueven el pistón.
En su momento de retroceso, el pistón empuja a los
gases que, a través de la válvula de escape, van a la
atmósfera por el tubo de escape del vehículo.
Válvula
Bujía
Bloque
motor
Pistón
Biela
Cigüeñal
208
UNIDAD 6
2
A través de la biela se hace girar el cigüeñal,
que provoca un movimiento mecánico.
ACTIVIDADES
48. Dibuja en tu cuaderno un motor de combustión interna y señala sus distintas partes. Indica la utilidad de cada una de ellas.
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7.3. Rendimiento y degradación energética
El objetivo de toda máquina térmica es transformar el calor en trabajo mecáni­
co, ¿qué pasaría si se perdiera energía en el proceso?
PIENSA Y RAZONA
Como hemos visto, el motor de un coche es un ejemplo de máquina térmica.
Sabemos que al realizar un trayecto con un coche notamos como el capó está
caliente.
a) ¿De dónde procede esta energía?
b) ¿Significa que el motor no funciona correctamente?
¿SABÍAS QUE...?
La pérdida de energía
por calor en los motores
de los vehículos es algo
inevitable.
El calor generado por el
motor consume al menos
el 60% de la energía quí­
mica del combustible.
Las máquinas térmicas no producen mucho trabajo debido a que la mayor parte
de la energía se desperdicia en calentar las piezas de la propia máquina.
El rendimiento de una máquina térmica es el cociente entre el trabajo
mecánico realizado y la energía tomada del foco caliente.
Se puede calcular el rendimiento en función de los calores o de las
temperaturas:
Q1: Calor recibido desde el foco caliente a temperatura T1
Q2: Calor recibido desde el foco frío a temperatura T2
R=
Q − Q2
W
= 1
Q1
Q1
R=
T1 − T2
T1
EJEMPLO RESUELTO
16. Una máquina térmica que trabaja entre 240 ºC y 60 ºC toma 600 kJ por hora del foco caliente. Calcula:
a ) El rendimiento de la máquina.
b ) La energía cedida al foco frío.
Solución
a ) Para calcular el rendimiento, recurrimos a la expresión relacionada con las temperaturas:
T −T
513 − 333
R= 1 2 =
= 0,35 (35%)
T1 = 240 + 273 = 513 K T2 = 60 + 273 = 333 K
T1
513
b ) Recurrimos a la otra expresión del rendimiento. Puesto que sabemos su valor, despejamos el valor de Q2
(energía cedida al foco frío):
600 − Q2
Q − Q2
0,35 =
R= 1
Q2= 390 kJ
600
Q1
ACTIVIDADES
49. Se aportan 320 kJ cada minuto a una máquina térmica cuyo rendimiento
es del 18%. Calcula el trabajo realizado en una hora.
UNIDAD 6
209
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MAPA CONCEPTUAL
Energía mecánica
Propiedades
ENERGÍA
Trabajo
Copia el esquema en tu
cuaderno y complétalo con
los siguientes términos:
• Ec, Ep
• Máquinas térmicas
• Dilatación
• Calor específico
• Calor latente
Conservación
Calor
MIRA A TU ALREDEDOR
La batería que se carga en dos minutos
La batería se ha convertido en ese elemento de nues­
tras vidas que resulta tan indispensable como frus­
trante. No en vano, su duración se ha convertido en
uno de los principales motivos de queja en todo tipo
de productos electrónicos. Y, con terminales cada
vez más finos y ligeros, la solución no parece sencilla.
Pero Huawei® asegura haber dado con ella.
No dejan de ser baterías de litio convencionales, pero
la diferencia estriba en una de esas microinnovaciones
que caracterizan a las marcas chinas: «Hemos conse­
guido encadenar heteroátomos a la molécula del gra­
fito en el ánodo, lo cual sirve para catalizar la captura
y la transmisión del litio a través de los enlaces de carbono, eso redunda en una carga más rápida».
Lo que se logra es cargar la batería hasta diez veces más rápido. Una de las dos nuevas versiones
logra cargar hasta el 48% de sus 3 000 mAh en solo cinco minutos. Con esa carga, la marca china
asegura que se pueden hacer 10 horas de llamadas. La otra batería, de 600 mAh, se carga al 68%
en dos minutos. Huawei® afirma que ambas baterías ya han pasado todos los controles de calidad y
están listas para ser comercializadas con los nuevos aparatos de la marca.
Hauwei® afirma: «Destinamos grandes medios a la innovación, porque estamos convencidos de que
es la única forma de que las empresas chinas se pongan a la altura de las mejores del mundo y co­
miencen a llevar la delantera».
www.tecnologia.elpais.com, 19/11/2015
Cuestiones
a) ¿Cómo consigue Huawei® acelerar la carga de la batería?
b) Investiga cuál es el tiempo medio de carga de una batería. ¿Es mayor que el que ofrece Huawei®?
c) La unidad empleada en las baterías es mAh. ¿Qué expresa esta unidad? ¿De qué magnitud se
trata?
210
UNIDAD 6
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PRÁCTICA DE LABORATORIO
Determinación del calor específico de un objeto
Objetivo
El calor específico de un cuerpo indica su facilidad para cambiar su tempera­
tura. Vamos a calcular de forma experimental el calor específico del etanol.
Material
• Calorímetro
• Balanza
• Termómetro
• Etanol
• Probeta
• Agua
Montaje
Realiza el montaje como aparece en la figura.
Conocimientos previos
Cuando ponemos en contacto dos cuerpos a distinta temperatura, el cuerpo de mayor temperatura
le cede energía al de menor temperatura hasta alcanzar un valor de equilibrio. El calor cedido es el
mismo que el absorbido, pero de distinto signo según el criterio de signos.
Mezclamos un fluido caliente (agua) en un calorímetro con un fluido frío (etanol). El calor cedido por
el cuerpo caliente se repartirá entre el calorímetro y el etanol.
Qcedido = −Qabsorbido ; Qfluido caliente = −(Qfluido frío + Qcalorímetro)
m1 · ce(agua) · (Te − T1) = −(m2 · ce(etanol) · (Te − T2) + mc · cc · (Te − T2) )
Procedimiento
Primero necesitamos determinar el calor específico del calorímetro, cc.
6. Verter el agua fría en el calorímetro,
1. Determinar la masa del calorímetro mc.
2. Calentar agua hasta unos 80 ºC.
tapar y medir la temperatura de equi­
3. Pesar unos 100 g de agua caliente y anotar su ma­
librio Te.
sa m2. Conviene pesarla en el mismo calorímetro.
7. Se aplica la ecuación, donde la única
incógnita es cc
4. Medir la temperatura del agua caliente T2.
5. Pesar unos 100 g de agua fría, anotar su masa m1
m1 · ce(agua) · (Te − T1) = −(m2· ce(agua) ·
y medir su temperatura T1.
· (Te − T2) + mc· cc · (Te − T2) )
Determinar el calor específico del metal.
• Se realiza el mismo procedimiento experimental que para el calorímetro con la salvedad de que
el fluido frío será el etanol. En el paso 5 sustituimos los 100 g de agua fría por 100 g de etanol.
• Al sustituir en la ecuación, la única incógnita será ce(etanol).
• m1 · ce(etanol) · (Te − T1) = − (m2 · ce(agua) · (Te − T2) + mc · cc · (Te − T2) )
Tarea
1. Calcula el calor específico del calorímetro y del etanol. Busca ce(etanol) y compáralo con tu
resultado.
2. Desarrolla otro procedimiento para hallar el calor específico del etanol. Puedes usar otros ma­
teriales si fuera preciso.
3. Si no incluyésemos el calor absorbido por el calorímetro en el procedimiento, ¿obtendríamos un
buen resultado? Justifica tu respuesta.
4. A partir de los datos del calor específico, justifica si el etanol es mejor refrigerante que el agua.
UNIDAD 6
211
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ACTIVIDADES FINALES
Actividades básicas
1. Indica en cuáles de las siguientes situaciones
se realiza trabajo:
a) Apoyarse en un coche.
b) Mover un objeto horizontalmente.
c) Frotarse las manos repetidamente.
d) Fundir un bloque de hielo.
2. Desde una altura de 50 m se deja caer un
objeto. Utilizando el principio de conservación
de la energía, calcula la velocidad con la que
impactará en el suelo.
3. Al producirse un cambio de estado, la tempe­
ratura no cambia. Explica este fenómeno.
4. Mezclamos 500 g de agua a 20 ºC con 800 g
de agua a 80 ºC. Calcula la temperatura de la
mezcla.
5. Realiza los siguientes cambios:
a) 1 500 cal a J
c) 3,2 kWh a J
b) 2 500 kW a CV
d) 1 kWh a cal
6. ¿Qué energía poseerá un cuerpo que pesa
2 500 g si cae libremente desde 12 m de altura
cuando llegue a tierra?
7. Mezclamos 600 g de agua a 20 ºC con 500 g
de alcohol a 80 ºC. Calcula la temperatura de
la mezcla. Datos: ce(agua): 4 180 J · kg−1 · ºC −1 ,
ce(alcohol): 2 500 J · kg−1 · ºC−1.
8. Calcula la energía que consume una bombilla
de 100 W si se mantiene encendida durante
una hora.
9. Averigua la cantidad de trabajo que se
necesita para desplazar horizontalmente el
siguiente objeto una distancia de 120 cm.
212
UNIDAD 6
F = 20 N
175 g
α = 30°
10. Calcula la energía cinética de un vehículo de
1 000 kg de masa que circula a una velocidad
de 120 km · h−1.
11. Un termo, cuya masa es de 400 g, está ini­
cialmente a 20 ºC. Cuando se le añaden
20 g de agua a 100 ºC alcanza una tempera­
tura de 40 ºC. Calcula el calor específico del
material del que está hecho el termo. Datos:
ce(agua): 4 180 J · kg−1 · K−1.
12. Un cuerpo de 100 g de masa está sujeto a un
muelle y apoyado sobre un plano horizontal.
La constante elástica del muelle es 200 N · m−1.
Separamos el conjunto 10 cm de la posición de
equilibrio y lo soltamos.
a) ¿Cuál es la energía potencial inicial del
cuerpo?
b) Suponiendo nulo el rozamiento, calcula la
velocidad con la que saldrá disparado el
muelle.
13. Calcula la velocidad que habría que co­
municar a un proyectil de 3 kg para que tu­
viera la misma energía cinética que un tractor
de 3 toneladas que avanza a una velocidad de
10 km · h−1.
14. Un cuerpo de cierta masa está en reposo a
una altura determinada y se deja caer libre­
mente.
a) ¿Qué tipo de energía tiene cuando está en
reposo a una altura determinada?
b) ¿Qué ocurre con la energía cinética
durante la caída?
c) ¿Qué tipo de energía tiene cuando llega al
suelo?
15. Un máquina térmica toma 30 000 J de un foco
caliente y realiza un trabajo de 12 000 J.
a) Realiza un esquema de la máquina térmica.
b) Calcula su rendimiento.
16. Calcula la dilatación de una barra de aluminio
de 8 m cuando sufre un incremento de tem­
peratura de 25 ºC. Coeficiente de dilatación
lineal del aluminio = 2,4 · 10−5 · K−1.
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Actividades de consolidación
17. Compara los valores del calor específico del
agua y del hielo. ¿Qué consecuencias pue­
des deducir de que el valor sea más alto para
el agua que para el hielo? Datos: ce(agua):
4 180 J · kg · ºC −1, ce (hielo): 2 090 J · kg · ºC −1.
18. Calcula la energía que se necesita para evapo­
rar completamente un cubito de hielo de 50 g
que se encuentra a −10 ºC. Datos: Lf : 334,4 kJ ·
· kg−1, Lv: 2 245 kJ · kg−1.
19. Un coche tiene una potencia de 90 CV. Se
pone en marcha y acelera durante 12 s.
a) Calcula el trabajo que realiza el motor.
b) Calcula la masa del vehículo si en ese tiempo
ha adquirido una velocidad de 30 m · s−1.
20. Se calienta un trozo de hielo de 250 g de
masa, que se encuentra a −20 ºC, hasta trans­
formarlo en vapor de agua a 110 ºC. ¿Qué
cantidad de energía se necesita para desarro­
llar todo el proceso? Busca los valores de ce y
calor latente en la tabla del epígrafe 6.3.
21. Determina la potencia (en CV) de un motor
que eleva 100 000 L de agua por hora de un
pozo de 60 m de profundidad.
22. La velocidad mínima para que despegue
un avión es de 144 km · h−1 si su peso es
de 15 000 kg y se dispone de una pista de
1 000 m. Averigua la potencia instantánea en
W y en CV que debe desarrollar el motor para
que el avión despegue.
Actividades avanzadas
23. Desde una altura h0 dejamos caer un cuerpo.
Averigua en qué punto de su recorrido se
1
cumple que Ec =
·E .
4 p
24. Un frigorífico es un ejemplo de máquina tér­
mica que trabaja a la inversa. Realiza una pre­
sentación indicando cómo es su funciona­
miento y cuál es su rendimiento.
25. Disparamos un proyectil de aluminio de
150 g de masa sobre un bloque de hielo que
se encuentra a una temperatura de 0 ºC. El
proyectil impacta en el bloque a 100 m · s −1 . Si
toda la energía cinética se convierte en calor,
¿cuánto hielo se derrite? Considera que todo
el calor aportado se utiliza para derretir el
hielo. Datos: Lf: 334,4 kJ · kg−1.
26. Halla el coeficiente lineal de un metal,
sabiendo que una viga de 50 m a 20 ºC
aumenta su longitud 3,5 cm cuando está a
80 ºC. ¿Qué metal es?
27. Se aportan 400 kJ por minuto a una máquina
térmica que tiene un rendimiento del 29%.
Calcula:
a) El trabajo mecánico realizado por la máquina.
b) La energía desperdiciada por minuto.
c) La potencia de la máquina en kW.
28. Realiza un trabajo para responder a las siguien­
tes cuestiones:
a) Indica qué tipo de energía se aprove­
cha para producir las siguientes ener­
gías re­
novables: energía solar térmica,
energía solar fotovoltaica, energía eólica
y energía mareomotriz.
b) Explica qué transformación energética se
realiza en cada caso para su uso.
c) Indica qué tipo de energía se utiliza para el
transporte y almacenamiento de la energía
almacenada en cada caso.
d) Según los datos obtenidos, ¿qué tipo de
energía es más fácil de almacenar y trans­
portar?
UNIDAD 6
213
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PON EN MARCHA TUS HABILIDADES
Casa de bajo consumo
Existe un creciente interés en todo el mundo
por la construcción de casas de bajo consumo.
Al reducir el consumo de energía, los propieta­
rios ahorran dinero y disminuyen las emisiones
de gases de efecto invernadero a la atmósfera.
Los arquitectos usan simulaciones para investi­
gar qué efectos tendrán en el consumo de
energía las decisiones que toman cuando dise­
ñan una casa. Existe una gran multitud de facto­
res para tener en cuenta en la búsqueda de un
consumo energético bajo.
b) Ordena de forma decreciente el gasto
energético que tendría la casa según el
color del tejado.
Pregunta 2
Nos encontramos ahora en una zona con tem­
peraturas exteriores que rondan los 10 ºC.
Nos interesa conocer qué color de los tres ci­
tados anteriormente provocará un mayor gas­
to de energía en calefacción.
b) Ordena de forma decreciente el gasto de
energía según el color.
Pregunta 3
El color del tejado de la vivienda es un factor
importante para aumentar el ahorro ener­
gético.
Se van a construir algunas casas en una zona
con un clima muy caluroso, con temperaturas
exteriores que suelen superar los 40 ºC. Dis­
ponemos de tres colores diferentes para el te­
jado: blanco, negro y rojo.
UNIDAD 6
a) ¿Por qué el color es un efecto importante
en el ahorro energético?
a) Indica qué color del tejado sería el más
adecuado bajo esta condición de tempera­
tura.
Pregunta 1
214
En base a la tabla anterior, responde a las si­
guientes preguntas:
T exterior
(ºC)
Color
Consumo energía
(vatio-hora)
40
Blanco
4 390
40
Rojo
5 830
40
Negro
6 630
Otro factor importante es la diferencia entre la
temperatura exterior y la temperatura interior
de la casa. Se alcanzan gastos de consumo in­
feriores en zonas con poco contraste térmico.
Justifica cuál de las siguientes afirmaciones es
la correcta:
a) Cuando aumenta la temperatura exterior,
también aumenta el consumo de energía,
sea cual sea el color del tejado.
b) Cuando disminuye la temperatura exterior,
aumenta el consumo de energía, sea cual
sea el color del tejado.
c) Cuando aumenta la diferencia entre la tem­
peratura exterior y la temperatura interior,
aumenta el consumo de energía, sea cual
sea el color del tejado.
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Construye tu propio colector solar
Tarea competencial
Objetivo
El ahorro energético y el aprovechamiento de
las energías renovables caminan de la mano.
Muchos avances tecnológicos se fundamentan
en aprovechar de una manera cada vez más efi­
caz las energías que nos brinda la naturaleza.
Comprenderás que en ocasiones el ahorro no
necesita una gran inversión económica, como
en este caso.
Vamos a construir un sencillo colector solar
que nos servirá para calentar agua aprove­
chando la energía procedente del Sol.
Necesitamos: una caja de zapatos, cartulina
negra o bien pintura negra, papel de aluminio,
un trozo de cristal o plástico y un termómetro.
Producto final
Aunque existen muchas posibilidades a la hora
de poder realizar esta tarea, te proponemos
que realices un montaje en vídeo de todos los
pasos que has seguido en la construcción de
un colector solar. Presenta dicho montaje en
clase y explica cómo lo has realizado. Tu misión
no es solo exponerlo, sino convencer al públi­
co de la utilidad de tu colector.
a
b
2. Para hacer la tapa, recorta un rectángulo de
cartón con las siguientes dimensiones: un lado
debe tener la longitud mayor de la caja (b) más
2 cm, y el otro, la longitud menor de la caja (a).
Luego, recorta un marco de unos 3 cm de ­ancho
a la tapa que acabas de preparar. Pega en el
marco un cristal fino o un plástico transparente.
3. Forra el exterior de la caja con cartulina negra
o píntala de color negro. Forra el interior con
papel de aluminio.
4. Une la tapa a la caja con cinta adhesiva a modo
de bisagra, de forma se pueda subir y bajar.
Pasos que debes realizar
1. Recorta la caja de zapatos de la siguiente
manera:
5. Llena con agua dos vasos y mide su tempera­
tura. Introduce uno de ellos en el colector.
Deja tanto el colector con el vaso dentro como
el otro vaso expuestos al Sol. Mide la tempe­
ratura en intervalos de 2 min. Con una hoja de
cálculo realiza una gráfica t-T. ¿Son iguales las
temperaturas de los dos vasos?
6. Realiza un montaje en vídeo de todos los pa­
sos que has realizado. Incluye también una
presentación explicando el funcionamiento de
un colector solar como el que has hecho.
UNIDAD 6
215
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aprende el estudiante y, en función de sus respuestas a preguntas sobre lo
estudiado y la seguridad sobre sus conocimientos, le va guiando a través de
los contenidos del libro, de una manera personalizada y adaptada a su propio
ritmo de aprendizaje, para que cada minuto que pasa el alumno estudiando
sea lo más efectivo posible.
¿Cómo funciona?
SmartBook® consta de varias fases:
Lee
En la fase de lectura, el
estudiante es guiado a través
del texto para que lea de
una manera adaptada a sus
necesidades. En SmartBook® el
estudiante tiene acceso al texto
completo, pero se le mostrarán
áreas resaltadas en amarillo
que indican el contenido en el
que debería centrar su estudio
en ese momento concreto.
Las áreas resaltadas del texto
van variando en función de sus
respuestas en la parte práctica,
subrayando nuevos temas y
conceptos de más nivel, una vez
que el estudiante ha demostrado
el dominio de los conceptos
esenciales del tema.
2
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Practica
En la fase de práctica, los estudiantes
afianzan lo aprendido hasta el momento
realizando una serie de actividades de
diversa tipología.
Antes de responder, se pedirá al estudiante
que evalúe el grado de seguridad sobre sus conocimientos:
Sé la respuesta
Eso creo
No estoy seguro
Ni idea
En función de las respuestas a esas preguntas, el grado de seguridad que establezcan y
otros datos que va recogiendo el sistema mientras los estudiantes trabajan, SmartBook®
irá ajustando el camino de aprendizaje de cada estudiante adaptándolo a su ritmo y
necesidades y determinando cuál será la siguiente pregunta.
Lee
Practica
De vuelta en la fase Lee, el estudiante se encontrará con nuevas partes del texto
resaltadas en amarillo, que indican el nuevo contenido a estudiar, y otras resaltadas en
verde, que son los temas o conceptos que el estudiante ha demostrado que domina al
responder correctamente a las preguntas en la fase de práctica.
Subrayado amarillo: muestra el contenido que es importante para el estudiante en este
momento.
Subrayado verde: muestra el contenido que el estudiante ha demostrado que domina
realizando preguntas en la fase de práctica.
La mejor manera de estudiar con SmartBook® es ir pasando de una fase a otra hasta
completar la unidad. La propia herramienta ayudará al estudiante a identificar cuándo ha
llegado el momento de cambiar de fase.
Repasa
Para asegurar el dominio de los
temas y la retención a largo plazo
de los conceptos aprendidos, en
esta fase el estudiante repasa en
forma de actividades el contenido
importante que el sistema ha
identificado que es más probable
que olvide.
Informes
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Informes completos
sobre el progreso del curso
Profesor
Los informes del profesor le permiten conocer en tiempo real las fortalezas y las debilidades de sus alumnos de manera
individual y a nivel global, y adaptar así sus clases y tutorías.
Estudiante
Los informes del estudiante proporcionan detalles sobre su progreso, sobre los temas que domina y los que necesita
estudiar más, para que pueda maximizar su tiempo de estudio.
Beneficios
Todo son ventajas
Para el profesor:
Para el estudiante:
• Mejora la calidad y la productividad de las clases.
• Ofrece el contenido adecuado para cada estudiante en el
• Facilita la adaptación de las clases al nivel y necesidades
de los alumnos.
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antes de que ocurra.
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grabar el progreso.
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una parte más de la asignatura. Te damos algunas opciones o ideas:
...
... antes de ir a clase
Puedes decir a tus alumnos que estudien con SmartBook® antes de ir a clase. Así, podrás basar tus clases
en los datos que obtengas con la herramienta.
... como deberes
Puedes presentar el contenido en clase y después, a modo de deberes, decirles que estudien el tema con
SmartBook®. Posteriormente, en función de los datos que obtengas sobre el progreso, las fortalezas
y las debilidades de tus alumnos, podrás reforzar ciertos contenidos y hacer un seguimiento general e
individual de lo que realmente se ha aprendido.
... antes del examen
Puedes dar la unidad completa y recomendar a tus alumnos que utilicen SmartBook® para preparar el
examen. Si tienen examen de final de curso, recuerda a tus alumnos que utilicen regularmente la fase
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