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GU Í A DI DÁC T IC A

U N I DA D

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FÍSICA Y QUÍMICA

ESO

Energía térmica y calor

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CONTENIDO

1 Programación de aula* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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2 Sugerencias didácticas Presentación de la unidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Contenidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Trabajo en el laboratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pon a prueba tus competencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Incluye una Matriz de evaluación de competencias . . . . . . . . . .

6 6-7 7 8 9

3 Actividades de refuerzo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 4 Actividades de ampliación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 5 Propuestas de evaluación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 6 Solucionario de la unidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 * Esta programación y la concreción curricular de tu comunidad autónoma podrás encontrarlas en el CD Programación y en .

Programación de aula Unidad 7

Energía térmica y calor

La unidad comienza interpretando, mediante la teoría cinético-molecular, la denominada energía térmica, el concepto de “equilibrio térmico” entre dos cuerpos y el concepto de “temperatura”. Se describen la medida de la temperatura y las escalas termométricas. A continuación se define el calor como un proceso de transferencia energética entre cuerpos o sistemas físicos, y se describen los procedimientos de transmisión del calor. Para medir el efecto de la energía transferida a un cuerpo mediante calor se introducen los conceptos de “capacidad calorífica” y “calor específico”. Después se estudian los casos en los que, al comunicar energía mediante calor a un cuerpo, este no varía su temperatura: los cambios de estado. Se describen sus tipos y leyes, y se introduce el concepto de “calor latente” de cambio de estado. La unidad sigue con el estudio de un efecto de la variación de temperatura de los cuerpos: la dilatación. Se describen sus leyes en sólidos, líquidos y gases. Por último se estudian las máquinas térmicas y su rendimiento, mostrando su importancia en la vida cotidiana. Los contenidos están relacionados con el bloque del currículo oficial, Profundización en el estudio de los cambios. Las competencias que se trabajan especialmente en esta unidad son la competencia en comunicación lingüística, la competencia matemática, la competencia en el conocimiento y la interacción con el mundo físico, el tratamiento de la información y competencia digital, y la autonomía e iniciativa personal.

OBJETIVOS

CRITERIOS DE EVALUACIÓN

1. Conocer y comprender en qué consiste la energía térmica y establecer el concepto de “temperatura”.

1.1. Interpretar la energía térmica mediante la teoría cinético-molecular y conocer el concepto de “temperatura”. 1.2. Conocer las escalas de temperatura y sus equivalencias, así como el fundamento físico de los termómetros.

2. Determinar la cantidad de energía térmica almacenada por un sistema material.

2.1. Describir los mecanismos de transferencia de energía térmica entre los sistemas materiales. Definir los conceptos de “capacidad calorífica” y “calor específico” de un cuerpo, y utilizarlos en cálculos.

3. Estudiar el comportamiento de la materia en los procesos de cambios de estado y dilatacionescontracciones.

3.1. Definir los distintos cambios de estado. Conocer los procesos que tienen lugar durante el cambio de estado y la causa de la invariabilidad de la temperatura en ellos. 3.2. Expresar y calcular cuantitativamente las dilataciones en sólidos y líquidos, y determinar el comportamiento de un gas en función de la temperatura.

4. Conocer en qué consisten y cómo actúan las máquinas térmicas, valorando su importancia.

4.1. Describir los tipos de máquinas térmicas y su fundamento, y calcular su rendimiento.

COMPETENCIAS BÁSICAS

• Competencia en comunicación lingüística. • Competencia matemática. • Competencia en el conocimiento y la interacción con el mundo físico. • Tratamiento de la información y competencia digital. • Autonomía e iniciativa personal.

CONTENIDOS La temperatura y su medida. – Uso del termómetro y medida de la temperatura. Escalas de temperatura. El calor como forma de transferencia energética. Capacidad calorífica y calor específico. – Medida de la energía transferida mediante calor en los sistemas materiales. Unidades. Variación de temperatura y cambios de estado. – Realizar cambios de estado de sustancias y medir su temperatura de cambio de estado.

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Unidad 7

Energía térmica y calor

Variación de temperatura y dilatación. – Identificar la dilatación en estructuras reales, sus consecuencias y proponer medidas preventivas. – Realización de experiencias sencillas de dilatación en el laboratorio. Las máquinas térmicas y su rendimiento. – Descripción esquemática de un motor de explosión como ejemplo de máquina térmica. – Reflexionar y comentar en grupo la importancia de las máquinas térmicas de nuestro tiempo.

Programación de aula

ORIENTACIONES METODOLÓGICAS 1. Conocimientos previos Los alumnos deben saber que la materia está formada por partículas en constante movimiento y que la temperatura es una consecuencia de la energía cinética de dichas partículas. Deben conocer los principales cambios de estado y que, al elevar la temperatura de un cuerpo, este se dilata. También deben saber que las máquinas térmicas funcionan mediante transformaciones y transferencias de energía, y que el hombre las utiliza para realizar todo tipo de trabajos.

2. Previsión de dificultades La energía térmica es una parte de la energía interna de un cuerpo y, como tal, no puede ser visualizada directamente. Es difícil para el alumno comprender que su origen es la energía cinética de las partículas del cuerpo en cuestión. El calor suele ser confundido con una forma de la energía en vez de como un método para transferir energía térmica. Se suele hacer un uso indebido del lenguaje con expresiones como “un objeto que tiene mucho calor” en vez de decir “un objeto que tiene mucha energía”. La temperatura suele ser confundida con el calor debido a un uso no muy afortunado del lenguaje, con expresiones como “un objeto muy caliente” en vez de “un objeto a alta temperatura”, tomando como sinónimos calor y temperatura.

3. Vinculación con otras áreas • Ciencias de la Naturaleza. El método científico se utiliza en todas las disciplinas de ciencias: química, física, biología, geología, etc.; por ello, la vinculación de esta unidad con las Ciencias de la Naturaleza es obvia. • Ciencias Sociales. El desarrollo de las máquinas térmicas impulsó las sucesivas revoluciones industriales con una influencia decisiva en los acontecimientos sociales de los siglos XIX y XX. • Lengua Castellana y Literatura. Empleo del contexto verbal y no verbal, y de las reglas de ortografía y puntuación. La lectura comprensiva del texto, así como de los enunciados de los problemas y ejercicios. • Matemáticas. Utilización de estrategias en la resolución de problemas y traducción de expresiones del lenguaje cotidiano, de los enunciados de los problemas, al lenguaje algebraico. Recogida de información, presentación y procesamiento de datos numéricos. • Tecnología. Manejo de las tecnologías de la información y la comunicación en diferentes proyectos. El estudio de máquinas térmicas es un objetivo común. • Lengua extranjera. Búsqueda de información en otro idioma.

4. Temporalización Para el desarrollo de esta unidad se recomienda la organización del trabajo en un mínimo de siete sesiones distribuidas del siguiente modo: Páginas iniciales (una sesión). Lo que vas a aprender. Desarrolla tus competencias. Experimenta. Epígrafes 1 a 10 y Resumen (cuatro sesiones). Contenidos. Resolución de ejercicios propuestos. Resolución de actividades. Repasar contenidos. Trabajo en el laboratorio (una sesión). Explicación y desarrollo de la práctica. Pon a prueba tus competencias (una sesión). Realiza una investigación científica. Utiliza las TIC. Lee y comprende.

5. Sugerencias de actividades Determinar el calor específico de un material en el laboratorio usando un calorímetro.

6. Refuerzo y ampliación Los distintos estilos de aprendizaje y las diferentes capacidades del alumnado pueden precisar de propuestas para afianzar y reforzar algunos contenidos. Se sugiere realizar las actividades de refuerzo que aparecen en este cuaderno. La necesidad de atender a alumnos que muestren una destreza especial para la consolidación de los conceptos de la unidad hace preciso el planteamiento de actividades de ampliación. Se sugiere realizar las actividades de ampliación que aparecen en este cuaderno.

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Programación de aula

CONTRIBUCIÓN DE LA UNIDAD A LA ADQUISICIÓN DE LAS COMPETENCIAS BÁSICAS Competencia en comunicación lingüística A través de los textos que se proponen al principio y al cierre de la unidad se trabaja la comunicación escrita. De este modo se permiten el conocimiento y la comprensión de diferentes tipos de textos, así como la adquisición del hábito de la lectura y el disfrute con ella. En la sección Lee y comprende se trabaja la posible incorporación de nuevas palabras en el lenguaje del alumno. Asimismo se trabaja la recopilación de información, la interpretación y comprensión de textos, y su escritura.

Competencia matemática A lo largo de la unidad, los alumnos trabajan continuamente con herramientas relacionadas con la medición, el cálculo de temperaturas finales de mezclas y de cantidades de energía intercambiadas, la interpretación de gráficas para la resolución de problemas basados en la aplicación de expresiones matemáticas. Muchas de ellas se encuentran en contextos de la vida real.

Competencia en el conocimiento y la interacción con el mundo físico En esta unidad se contribuye a la adquisición de la competencia en el conocimiento y la interacción con el mundo físico mediante el conocimiento de la energía térmica y el calor. Asimismo se estudian fenómenos de la vida cotidiana como cambios de estado y dilataciones. En la sección Pon a prueba tus competencias, la actividad “La fusión del hielo” propone una investigación científica para interpretar hechos cotidianos.

Tratamiento de la información y competencia digital A lo largo de toda la unidad, los alumnos encontrarán referencias a la página web librosvivos.net, en la que podrán hacer uso de las herramientas tecnológicas. Asimismo se plantean diversas búsquedas de información en la web.

Competencia para aprender a aprender La sección Trabajo en el laboratorio permite a los alumnos construir su propio conocimiento mediante la aplicación sistemática del método científico. También aprenderán a administrar el tiempo y el esfuerzo en su quehacer en el laboratorio, al igual que las numerosas propuestas de búsqueda de información que existen en la unidad. Además, la unidad permite tomar conciencia y control de las propias capacidades, pues los alumnos disponen de una autoevaluación para aprender de sus propios errores y autorregularse con responsabilidad y compromiso personal.

Autonomía e iniciativa personal En la sección Trabajo en el laboratorio, los alumnos deberán ser capaces de planificar, gestionar tiempos y tareas, afrontar los problemas de forma creativa, aprender de los errores, reelaborar los planteamientos previos, elaborar nuevas ideas, buscar soluciones y llevarlas a la práctica.

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Unidad 7

Energía térmica y calor

Programación de aula

TRATAMIENTO ESPECÍFICO DE LAS COMPETENCIAS BÁSICAS EN LA UNIDAD A lo largo de la unidad se trabajan diversas competencias. Sin embargo, sugerimos un itinerario en el que se han seleccionado cinco, con el objeto de llevar a cabo un trabajo metódico y un registro de ellas.

COMPETENCIA

SUBCOMPETENCIA

DESCRIPTOR

DESEMPEÑO

1.er nivel de concreción

2.º nivel de concreción

3.er nivel de concreción

4.º nivel de concreción

Comunicación escrita.

Conocer y comprender diferentes textos con distintas intenciones comunicativas.

Lee y comprende la información contenida en el texto, y responde correctamente a las preguntas relativas a él. Desarrolla tus competencias, página 145; Pon a prueba tus competencias: Lee y comprende, página 163.

Relación y aplicación del conocimiento matemático a la realidad.

Conocer y aplicar herramientas matemáticas para interpretar y producir distintos tipos de información (numérica, gráfica, etc.).

Aplica estrategias de resolución de problemas adecuadas para cada situación, presentando los resultados de forma clara y concreta. Actividades 8, 9, 18, 19, 26, 39 y 51.

Realizar predicciones con los datos que se poseen, obtener conclusiones basadas en pruebas y contrastar las soluciones obtenidas.

Realiza pequeñas investigaciones relacionadas con los contenidos de la unidad, comprobando las hipótesis propuestas. Experimenta, páginas 145, 149 y 151; actividad 13; Pon a prueba tus competencias: Realiza una investigación científica, página 162.

Identificar preguntas y problemas relevantes sobre situaciones reales o simuladas.

Utiliza los conocimientos teóricos de la unidad para explicar hechos de forma científica y obtener conclusiones. Desarrolla tus competencias, página 145; Pon a prueba tus competencias: Realiza una investigación científica, página 162; actividades 1, 2, 4, 5, 12, 17, 20, 25, 27, 35 y 43.

Obtención, transformación y comunicación de la información.

Buscar y seleccionar información, con distintas técnicas según la fuente o el soporte, y utilizar nuevas fuentes a medida que van apareciendo.

Busca información en internet, selecciona la más relevante y extrae conclusiones pertinentes de la información seleccionada. Pon a aprueba tus competencias: Utiliza las TIC, página 163; actividades 7, 29 y 49.

Liderazgo.

Saber organizar el trabajo en equipo: gestionar tiempos y tareas.

Es capaz de realizar un trabajo en grupo distribuyendo la carga de trabajo, gestionando los tiempos de forma adecuada, aportando información relevante a la tarea del grupo y presentando los resultados de forma adecuada. Actividad 53.

Competencia en comunicación lingüística

Competencia matemática

Competencia en el conocimiento y la interacción con el mundo físico

Tratamiento de la información y competencia digital

Aplicación del método científico a diferentes contextos.

Autonomía e iniciativa personal

EDUCACIÓN EN VALORES Tanto los contenidos de la unidad como el trabajo específico por competencias permiten desarrollar otros aspectos que se recogen como educación en valores: – Se pueden abordar aspectos de la educación moral y cívica y de la educación medioambiental en el laboratorio mediante la promoción del trabajo en equipo y el respeto por las normas de seguridad, valorando el rigor científico en los experimentos o gestionando adecuadamente los residuos. – Con la ayuda del concepto de rendimiento de una máquina térmica y partiendo de la necesidad de mejorarlo, se pueden abordar temas relacionados con la educación ambiental. Los efectos del calor en el cuerpo humano permiten abordar temas relacionados con la educación para la salud.

MATERIALES DIDÁCTICOS LABORATORIO Un calorímetro con agitador, dos termómetros de 0 a 100 °C, un mechero, un vaso de precipitados, una probeta graduada, una balanza y bloques de metal de unos 200 gramos.

INTERNET : recursos didácticos interactivos para profesores y alumnos. : propuestas didácticas. : plataforma educativa. : materiales para el profesor.

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Sugerencias didácticas Presentación de la unidad La unidad se presenta mostrando un efecto conocido: la capacidad del mar para suavizar el clima de las poblaciones situadas en su orilla. Esta resistencia que presenta el agua para cambiar su temperatura se denomina inercia térmica, y está relacionada con una de las propiedades de los cuerpos que se van a estudiar: la capacidad calorífica de los materiales.

El experimento propuesto permitirá mostrar de forma práctica la gran capacidad calorífica del agua contenida en un globo, que puede absorber durante un tiempo toda la energía suministrada por una llama sin que arda la goma del globo.

La brisa marina sopla durante el día del mar a la costa, y por la noche, de la costa al mar, lo que contribuye en verano a suavizar el clima. La explicación permite afianzar

El agua es un compuesto químico con propiedades realmente destacables que han permitido el desarrollo de la vida.

conocimientos sobre la densidad del aire frío y del aire caliente.

1. La temperatura La dificultad para establecer claramente los conceptos de “calor” y “temperatura” está muy generalizada entre los alumnos. En el texto proponemos un acercamiento al concepto de “temperatura”, primero desde el punto de vista termodinámico (macroscópico), definiéndola como la propiedad común a dos sistemas físicos en equilibrio térmico. Conviene destacar que el sentido del tacto no es un buen indicador de la temperatura. Para ello, primero se puede introducir una mano en agua fría y después en agua templada: la templada parece caliente. Si se introduce primero la mano en agua caliente y posteriormente en agua templada, ahora la templada parecerá fría.

Posteriormente, a través de la teoría cinética se va a relacionar la temperatura con el movimiento térmico de las partículas de un cuerpo. Esto permite precisar el equilibrio térmico: el dibujo de la página 146 ayudará a comprender el concepto de “equilibrio térmico”, y también que lo que pasa del cuerpo más caliente al más frío es energía, que se manifiesta como movimiento térmico de las partículas de ambos cuerpos. También el cero absoluto de temperatura debe ser interpretado en términos de energía y movimiento térmico de las partículas. En LIBROSVIVOS.NET se puede observar un vídeo sobre la temperatura y su medida.

2. El calor como forma de transferencia energética La energía térmica de un cuerpo (debida al movimiento térmico de sus partículas) es una parte de la energía interna de un cuerpo. El calor debe ser definido como un método de transferencia de energía térmica entre dos cuerpos por el simple hecho de encontrarse a distinta temperatura y nunca como una forma de la energía. Todos los procedimientos de transferencia de energía mediante calor se pueden ejemplificar fácilmente en las cercanías de un radiador: la conducción requiere de contacto entre los dos cuerpos (las manos se calientan tocando el radiador), la radiación se realiza a distancia (las manos también se calientan sin necesidad de tocar el radiador) y la convección requiere de un movimiento de la masa de aire (se puede situar una tira de papel ligero

entre el radiador y la pared para visualizar este movimiento). Se debe establecer un paralelismo entre el concepto de “calor” y el concepto de “trabajo”, destacando de nuevo que, igual que el trabajo es una forma de transferencia de energía mecánica, el calor es una forma de transferencia de energía térmica. Es interesante recordar que algunas de las concepciones erróneas sobre el calor y la temperatura provienen de los siglos XVIII y XIX, cuando se pensaba que el calor estaba constituido por un fluido denominado “calórico” que pasaba de unos cuerpos a otros. Por eso se siguen usando expresiones incorrectas como “cantidad de calor” o “calor ganado o perdido”.

3. Capacidad calorífica y calor específico La experiencia de la sección Experimenta permitirá comprender mejor los conceptos de “calor específico” y “capacidad calorífica”, comparando resultados experimentales con agua y aceite.

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Unidad 7

Energía térmica y calor

Hay que destacar que el calor específico ofrece una medida de la inercia térmica de un material. Se debe revisar la tabla de calores específicos de la página 149 para tomar conciencia de las propiedades excepcionales del agua. En LIBROSVIVOS.NET se puede reproducir un vídeo que afianza estos conceptos.

Sugerencias didácticas

4. Variación de temperatura y cambios de estado La variación de la temperatura de los cuerpos debe ser asociada a cambios en el movimiento térmico de sus partículas, y estos, a su vez, deben asociarse al intercambio de energía térmica. En los cambios de estado, los cuerpos siguen intercambiando energía térmica, pero no varía su temperatura. La sección Experimenta de la página 150 permitirá comprender mejor estos hechos. También resulta interesante la interpretación de la gráfica que representa la temperatura de un cuerpo en el eje vertical y la energía intercambiada en el horizontal.

En general, no resulta demasiado complicado para los alumnos aceptar que la energía intercambiada mientras dura un cambio de estado no varía el movimiento térmico de las partículas de un cuerpo, sino que se emplea en modificar los enlaces entre ellas. Esa energía se puede evaluar mediante el “calor latente de cambio de estado”, y la sección Experimenta de la página 151 facilitará su comprensión.

5. Variación de temperatura y dilatación La interpretación de la dilatación de los cuerpos también debe hacerse a partir del movimiento térmico de sus partículas. Conviene destacar que la dilatación de un cuerpo es siempre cúbica (varía su volumen), pero que cuando en un cuerpo, una o dos de sus dimensiones sobresalen sobre el resto, las variaciones de volumen se deben principalmente a las variaciones que experimentan esas dimensiones, despreciándose las de las otras. Por eso se habla de dilatación lineal o superficial en los sólidos. Sin embargo, carece de sentido referirse a este tipo de dilatación en líquidos y gases.

En interesante realizar pequeñas experiencias en las que se ponga de manifiesto la variación de las dimensiones de un objeto con la temperatura. Por ejemplo, bolitas que pasan o no a través de anillos en función de su temperatura, o el desplazamiento de una burbuja de aire en el líquido de un tubo capilar unido a una botella llena cuando se le calienta con las manos. También conviene poner ejemplos del mundo real en los que hay que tener en cuenta la dilatación de los cuerpos para evitar averías o contratiempos. En LIBROSVIVOS.NET se puede apreciar un vídeo sobre la dilatación de los cuerpos.

6. Las máquinas térmicas y su rendimiento Las máquinas térmicas son un contenido más específico de Tecnología; sin embargo, los principios de su funcionamiento son básicos en Física y Química. Conviene resaltar que la dificultad de construcción de estas máquinas radica en la asimetría que la naturaleza muestra cuando se trata de convertir energía térmica en mecánica (mucho más difícil que la conversión de energía mecánica en térmica).

También es interesante destacar que el mejor de los motores térmicos no pasa de un rendimiento del 40 % de conversión de energía térmica en mecánica. La resolución de actividades numéricas y el uso de diagramas con los flujos energéticos en las máquinas facilitará la comprensión de estos conceptos. Es interesante contraponer el esquema de una máquina térmica al de un frigorífico y destacar los diferentes flujos de energía en ellos, identificando los focos calientes y fríos en ambos casos.

Trabajo en el laboratorio Las mezclas de cuerpos a diferente temperatura dentro de un calorímetro permiten comprender mejor la conservación de la energía. Previamente se debe describir el calorímetro, su construcción y funcionamiento, la necesidad de una pared aislante para evitar la conducción, la de un terminado plateado para impedir la radiación y la de la tapa para evitar la convección.

La realización de cálculos teóricos sobre mezclas de un sólido y un líquido a diferentes temperaturas en un calorímetro, y su verificación práctica obteniendo una temperatura única final, una vez alcanzado el equilibrio térmico, es un complemento a la adquisición de los conceptos más importantes de la unidad.

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Sugerencias didácticas

PON A PRUEBA TUS COMPETENCIAS REALIZA UNA INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA

UTILIZA LAS TIC

La fusión del hielo

Las biografías de James Prescott Joule y William Thomson (lord Kelvin) muestran facetas interesantes de la vida de los científicos, muchas de ellas al margen de la propia ciencia. Esta visión diferente de los científicos los humaniza y, a veces, desmitifica su labor. Su vida transcurre en unos años realmente apasionantes, donde se desterraron conceptos antiguos como el “calórico”. Sus descubrimientos deben contemplarse siempre dentro de un marco sociológico e histórico concreto.

La actividad permite trabajar la competencia en el conocimiento y la interacción con el mundo físico a través de la aplicación del método científico a diferentes contextos. La realización de una pequeña pero exhaustiva investigación sobre las sucesivas temperaturas que va alcanzando un trozo de hielo sacado del congelador permitirá a los alumnos comprobar leyes y afianzar muchos de los conceptos estudiados en la unidad. A los alumnos les cuesta aceptar que cuando un vaso de agua está lleno hasta el borde y tiene un cubito de hielo flotando, si el hielo se funde, el agua no se derrame. A veces, solo la explicación acompañada de una experiencia les puede convencer. Estos hechos permiten proponer un debate sobre aspectos medioambientales, como las diferentes consecuencias de la fusión de los hielos de los polos norte y sur.

Conoce a los científicos

LEE Y COMPRENDE Las chimeneas La forma de las chimeneas ha ido evolucionando a lo largo de la historia, siempre tratando de lograr un mejor aprovechamiento de la energía. La lectura describe algunos de sus principales avances, aunque indica que no es el mejor sistema de aprovechamiento de la energía. Se pueden comparar con otros sistemas calefactores como las estufas o los modernos cassettes, y discutir sobre la utilidad del “tiro”.

Notas

A continuación presentamos una matriz de evaluación que el profesor puede utilizar para evaluar el grado de consecución de las competencias básicas trabajadas a lo largo de la unidad. Además, en puede descargar una aplicación informática que le facilitará esta tarea.

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Unidad 7

Energía térmica y calor

Autonomía e iniciativa personal

Tratamiento de la información y competencia digital

Competencia en el conocimiento y la interacción con el mundo físico

Competencia matemática

Competencia en comunicación lingüística

Busca información en internet, selecciona la más relevante y extrae conclusiones pertinentes de la información seleccionada.

Es capaz de realizar un trabajo en grupo distribuyendo la carga de trabajo, gestionando los tiempos de forma adecuada, aportando información relevante a la tarea del grupo y presentando los resultados de forma adecuada.

Saber organizar el trabajo en equipo: gestionar tiempos y tareas.

Liderazgo.

Utiliza los conocimientos teóricos de la unidad para explicar hechos de forma científica y obtener conclusiones.

Buscar y seleccionar información, con distintas técnicas según la fuente o el soporte, y utilizar nuevas fuentes a medida que van apareciendo.

Identificar preguntas y problemas relevantes sobre situaciones reales o simuladas.

Trabaja en grupo realizando aportaciones relevantes.

Siempre utiliza las TIC para buscar información y extrae conclusiones relevantes.

Siempre explica de forma científica hechos relacionados con el calor y la temperatura.

Comprueba hipótesis sobre el calor y la temperatura siguiendo el método científico.

Realiza pequeñas investigaciones relacionadas con los contenidos de la unidad, comprobando las hipótesis propuestas.

Realizar predicciones con los datos que se poseen, obtener conclusiones basadas en pruebas y contrastar las soluciones obtenidas.

Obtención, transformación y comunicación de la información.

Aplicación del método científico a diferentes contextos.

Resuelve adecuadamente problemas y muestra los resultados claramente.

Aplica estrategias de resolución de problemas adecuadas para cada situación, presentando los resultados de forma clara y concreta.

Utilizar las matemáticas para el estudio y comprensión de situaciones cotidianas.

Relación y aplicación del conocimiento matemático a la realidad.

LO CONSIGUE (4 PUNTOS) Lee, comprende y responde a todas las preguntas.

DESEMPEÑO 4.o nivel de concreción Lee y comprende la información contenida en el texto, y responde correctamente a las preguntas relativas a él.

Conocer y comprender diferentes textos con distintas intenciones comunicativas.

DESCRIPTOR 3.er nivel de concreción

Comunicación escrita.

COMPETENCIA SUBCOMPETENCIA 1.er nivel de 2.o nivel de concreción concreción

Trabaja en grupo y casi siempre realiza aportaciones relevantes.

Casi siempre utiliza las TIC para buscar información y extraer conclusiones relevantes.

La mayor parte de las veces explica de forma científica estos hechos.

Sigue casi todas las etapas del método científico para comprobar hipótesis sobre el calor y la temperatura.

Resuelve adecuadamente problemas, pero no muestra los resultados claramente.

Lee, comprende y responde a casi todas las preguntas.

NO TOTALMENTE (3 PUNTOS)

Trabaja en grupo y en algunas ocasiones realiza aportaciones relevantes.

Solo en contadas ocasiones utiliza las TIC para buscar información.

Casi nunca explica de forma científica hechos relacionados con el calor y la temperatura.

Solo alguna vez realiza pequeñas investigaciones sobre los contenidos de la unidad.

Solo resuelve adecuadamente algunos problemas.

Lee y comprende el texto solo en parte.

CON DIFICULTAD (2 PUNTOS)

Es incapaz de trabajar en grupo.

No utiliza las TIC para buscar información ni extrae conclusiones relevantes.

Desconoce los contenidos y no es capaz de explicar hechos relacionados con ellos.

Desconoce los contenidos y no realiza pequeñas investigaciones.

No resuelve problemas ni sabe mostrar los resultados claramente.

No comprende el texto ni contesta a las preguntas.

NO LO CONSIGUE (1 PUNTO)

Sugerencias didácticas

MATRIZ DE EVALUACIÓN DE COMPETENCIAS BÁSICAS

Energía térmica y calor

Unidad 7

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ACTIVIDADES de REFUERZO Unidad 7

Energía térmica y calor

1. Los bloques A y B de la figura están a distinta temperatura (TA < TB) y llenos del mismo gas. A

B

TA

TB

a) ¿Cómo es el movimiento de las partículas en A con respecto a las de B? b) ¿En qué sentido se transfiere la energía térmica? c) ¿Cuándo cesará la transferencia de energía térmica?

2. En un viaje de estudios a Estados Unidos, uno de los alumnos se encuentra mal y es hospitalizado. El médico nos comunica que su fiebre es de 104 °F. ¿Debe preocuparnos seriamente esa información?

3. Para determinar el calor específico de un metal, introducimos 100 g del mismo a 97,5 °C en un calorímetro con 0,5 kg de agua a 20 °C. El equilibrio se alcanza a los 24,5 °C. ¿Cuál es el calor específico del metal? Dato: Ce,agua = 4180 J kg−1 K−1

4. Indica a cuál de los siguientes procesos corresponde la gráfica temperatura-tiempo siguiente. T (°C)

30 20 10 tiempo

_10

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a) Se calienta hielo a −5 °C, hasta que se convierte en agua a 30 °C. b) Se calienta hielo a −10 °C, hasta que se convierte en agua a 30 °C. c) Se calienta hielo a −10 °C, hasta que se convierte en vapor de agua a 120 °C.

10

Unidad 7

Energía térmica y calor

5. Se sumerge un bloque de hierro de 3 kg que está a una temperatura de 150 °C en 3 L de agua a 10 °C. ¿Qué temperatura se alcanzará en el equilibrio? Datos: Ce,hierro = 472 J kg−1 oC−1; Ce, agua = 4180 J kg−1 oC−1

6. La gráfica nos muestra cómo cambia la temperatura de un líquido al calentarlo hasta ebullición en un vaso de precipitados abierto. a) ¿Cuál es el punto de ebullición de este líquido? b) Si se calienta el líquido con mucha más intensidad, ¿quedaría alterada en algo la gráfica anterior? c) ¿Cuál es la diferencia entre ebullición y evaporación?

T (°C)

80 60 40 20

1

2

3

4

5

t (min)

7. Si se mezclan 10 L de agua a 12 °C con 16 L de agua a 60 °C, ¿cuál será la temperatura final de la mezcla? Dato: densidad del agua = 103 kg/m3

8. El foco caliente de una máquina térmica suministra 105 J/s y cede 76 ⋅ 103 J/s al foco frío. Calcula: a) El trabajo desarrollado por la máquina en una hora. b) El rendimiento de la máquina.

9. ¿Por qué al calentar la tapa metálica de un frasco de conserva de vidrio se abre más fácilmente?

Página fotocopiable

10. El manual de mantenimiento de los automóviles aconseja comprobar frecuentemente la presión de los neumáticos y especifica que la medida no se realice después de un largo recorrido. ¿Por qué?

Energía térmica y calor

Unidad 7

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ACTIVIDADES de AMPLIACIÓN Unidad 7

Energía térmica y calor

1. Completa los datos que faltan en la siguiente tabla. Escala Celsius

Ebullición H2O

Fusión H2O

Cero absoluto

100 °C

0 °C

−273,15 °C

Fahrenheit Kelvin

2. La masa de un recipiente es de 600 g y está a 20 °C. Cuando se vierten en él 2,5 kg de agua hirviendo, la temperatura final es de 90 °C. ¿Cuál es el calor específico del recipiente? Dato: Ce,agua = 4180 J kg−1 °C−1

3. Un meteorito de 5 kg llega al suelo a 2000 m/s. ¿Cuántas calorías se liberan si toda su energía cinética se transforma en calor? Dato: 1 caloría = 4,18 J

4. Queremos obtener 120 L de agua a 35 °C mezclando agua a 15 °C con agua a 80 °C. ¿Cuántos litros han de mezclarse de cada clase? Datos: densidad del agua = 1 g/mL; ce,agua = 1 cal g−1 °C−1

Página fotocopiable

5. ¿Qué cantidad de energía térmica se necesita para transformar 0,5 L de agua a 20 °C en vapor? Datos: ce,agua = 4180 J kg−1 °C−1; Lv = 2,2 ⋅ 106 J/kg

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Unidad 7

Energía térmica y calor

6. Al calentar un líquido aumenta su volumen. a) ¿Se modifica su masa? b) ¿Qué ocurre con su densidad?

7. Una barra de hierro de 1 m de longitud a 4 °C se calienta a 50 °C, experimentando una dilatación lineal de 0,06 cm. ¿Cuál es el coeficiente de dilatación lineal del hierro?

8. Un tramo de cable de tendido eléctrico tiene 1200 m cuando se mide a 15 °C. Calcula su longitud a 50 °C. Dato: α = 1,18 ⋅ 10−5 °C−1

9. Un hombre de 70 kg consume 2400 cal/día de energía. El 10 % de esa energía se transfiere mediante trabajo y el 90 % restante se transforma en energía térmica. Si el cuerpo humano no tuviera medios para desprender esta energía mediante calor, ¿cuánto aumentaría en promedio su temperatura cada hora? Dato: el calor específico de los tejidos animales es, aproximadamente, igual al del agua = 4180 J kg−1 °C−1.

10. El volumen de un gas se duplica a presión constante. ¿Cuál es la temperatura final si inicialmente se hallaba a 30 °C?

Página fotocopiable

11. El foco caliente de una máquina térmica suministra 30 kcal/s, de las que 800 kcal/min son cedidas al refrigerante. Calcula: a) El trabajo realizado por la máquina en 1,5 h. b) El rendimiento de la máquina. c) La potencia de la máquina en kilovatios.

Energía térmica y calor

Unidad 7

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Actividades de refuerzo Unidad 7

Energía térmica y calor

SOLUCIONARIO 1. a) La velocidad media de las partículas de A es menor que la de las partículas de B. b) Del bloque B al bloque A. c) Cuando se igualen las temperaturas, alcanzándose el equilibrio térmico.

2.

T(°C) T(°F) − 32 = ⇒ T(°C) = 37,7 °C 5 9

No debe preocuparnos, ya que solo se trata de febrícula.

3. La diferencia entre dos temperaturas expresadas en grados Celsius es la misma que si se expresan en kelvin. 0,1(kg) ⋅ ce ⋅ (97,5 − 24,5)(K) = 0,5 (kg) ⋅ 4180 (Jkg−1 K−1) ⋅ (24,5 − 20)(K) ⇒ ce = 12,88 Jkg−1 K−1 Igualmente: ce = 12,88 J kg−1 °C−1

4. Corresponde al b): se calienta hielo de −10 a 0 °C, se funde y se calienta el agua de 0 a 30 °C.

5. El valor del calor específico de un cuerpo expresado en J kg−1 K−1 es el mismo que si se expresa en J kg−1 °C−1. 3 (kg) ⋅ 4180 (Jkg−1 °C−1)(T − 10)(°C) = 3 (kg) ⋅ 472 (Jkg−1 °C−1)(150 − T)(°C) ⇒ T = 24,2 °C

6. a) Teb = 80 °C b) La temperatura se estabilizaría a 80 °C. La única diferencia es que se alcanzaría más rápidamente esa temperatura, y observaríamos mayor pendiente en la rampa de calentamiento. c) Ebullición: paso de líquido a vapor en toda la masa. Evaporación: paso de líquido a vapor solo en la superficie.

7. 10 (kg) ⋅ 4180 (J kg−1 °C−1)(T − 12)(°C) = 16 (kg) ⋅ 4180 (J kg−1 °C−1)(60 − T)(°C) ⇒ T = 41,5 °C

8. a) Trabajo desarrollado (energía útil) en 1 s: W = Eabsorbida − Ecedida = 105 (J) − 76 ⋅ 103 (J) = 2,4 ⋅ 104 J Trabajo en 1 h: W = 2,4 ⋅ 104 (J/s) ⋅ 3600 (s) = 8,64 ⋅ 107 J b) Rendimiento: r =

2,4 ⋅ 104 (J) ⋅ 100 = 24 % 105 (J)

9. Porque los coeficientes de dilatación de la tapa metálica y del vidrio son distintos.

10. Porque los valores indicados para la presión adecuada están dados a temperatura ambiente, y los neumáticos aumentan su temperatura al circular.

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Unidad 7

Energía térmica y calor

Actividades de ampliación Unidad 7

Energía térmica y calor

SOLUCIONARIO 1.

Ebullición H2O

Fusión H2O

Cero absoluto

Celsius

100 °C

0 °C

−273,15 °C

Fahrenheit

212 °F

32 °F

−459 °F

Kelvin

373 K

273 K

0K

Escala

(El cero absoluto corresponde a −273,15 °C y −459,67 °F, pero por comodidad se toman −273 °C y −459 °F). 2. 0,6 ⋅ Ce ( 90 − 10) = 2,5 ⋅ 4180 ⋅ (100 − 90) ⇒ Ce = 2177 J kg−1 °C−1 2

3. Q =

1 2 1  m mv = ⋅ 5 (kg) ⋅ (2 ⋅ 103 )2   = 107 J = 2,4 ⋅ 106 cal  s 2 2

4. Si m es la masa de agua a 18 °C, y ce = 1 cal g−1 °C−1 es el calor específico del agua: m ⋅ 1 ⋅ (35 − 18) °C = (120 000 − m) ⋅ 1⋅ (80 − 35) °C ⇒ m = 8,71 ⋅ 104 g de H2O Volumen del agua a 18 °C = 87,1 L Volumen del agua a 80 °C = 120 − 87,1 = 32,9 L 5. Q = 0,5 (kg) ⋅ 4 180 (Jkg−1 °C−1) ⋅ (100 − 20)(°C) + 0,5 (kg) ⋅ 2,2 ⋅ 106 (Jkg−1) = 1,27 ⋅ 106 J 6. a) No. b) Disminuye, porque aumenta el volumen.

7. ∆L = α L0 (t − t0) ⇒ α =

6 ⋅ 10−4 (m) ∆L = = 1,3 ⋅ 10−5 °C−1 L0 ∆T 1(m) ⋅ (50 − 5)(°C)

8. ∆L = α L0 (t − t0) = 1,18 ⋅ 10−5 ⋅1200 ⋅ (50 − 15) = 0,50 m La longitud a 50 °C será aproximadamente de 1200,50 m. 9. Trabajo/día = 2400 ⋅ 0,1 = 240 kcal Energía disipada/día = 2400 − 240 = 2160 kcal Energía disipada/hora = 2160/24 = 90 kcal/h = 3,8 ⋅ 105 J/h Aumento de la temperatura cada hora: 3,7 ⋅105 (J) = 70 (kg) ⋅ 4180 (J kg−1 °C−1) ⋅ ∆T ⇒ ∆T = 1,3 °C

10.

V T 2V T = ⇒ 0 = ⇒ T = 606 K V0 T0 V0 30 + 273

11. Las 800 kcal/min equivalen a 8 ⋅ 105 (cal/min) = 1,3 ⋅ 101 kcal/s = 1,3 ⋅ 104 cal/s Trabajo realizado: 3 ⋅ 104 (cal) − 1,3 ⋅ 104 (cal) = 1,7 ⋅ 104 cal cada segundo. a) Trabajo realizado en 1,5 h:  cal  5400 (s) W = 1,7 ⋅ 104  ⋅ = 6,1 ⋅ 107 cal  s  1,5 (h) b) r =

1,7 ⋅ 104 (cal/s) ⋅ 100 = 57 % 3 ⋅ 104 (cal/s)

cal  4,18 (J) 1(kW) c) P = 1,7 ⋅ 104  ⋅ ⋅ = 71kW  s  1(cal) 103 (J/s)

Energía térmica y calor

Unidad 7

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PROPUESTA de EVALUACIÓN Unidad 7

Energía térmica y calor

APELLIDOS:

NOMBRE:

FECHA:

CURSO:

GRUPO:

1. Tenemos dos sistemas físicos, A y B, del mismo material, a las temperaturas de 473 y 283 K, respectivamente, y unidos entre sí por una barra metálica. Este conjunto está aislado térmicamente del entorno.

A

B

TA = 473 K

TB = 283 K

a) Inicialmente, ¿en cuál de los dos es mayor la velocidad media de las partículas constitutivas? b) ¿En qué sentido y cómo se transferirá el calor de uno a otro? c) ¿Cuándo dejará de transferirse energía de uno a otro?

2. Completa los datos que faltan en la siguiente tabla. T (°C)

T (°F)

T (K)

−20 62 373

3. Expresa las siguientes cantidades en unidades del sistema internacional. a) 2 cal g−1 °C−1 b) 70 cal/g c) ¿Qué magnitudes físicas se miden en esas unidades?

4. Determina la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de 100 g de aluminio desde 10 hasta 120 °C.

Página fotocopiable

Dato: calor específico del aluminio, ce = 898 J kg−1 °C−1

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Unidad 7

Energía térmica y calor

5. Un calorímetro de 400 g de masa y calor específico ce = 0,15 kcal kg−1 °C−1 contiene una muestra de 550 g de masa. Si se suministran eléctricamente 2459 J de energía y la temperatura aumenta en 4 °C, ¿cuál será el calor específico de la muestra?

6. Determina la cantidad de calor que se desprende cuando 150 g de vapor de agua a 100 °C se condensan en agua a 100 °C. Dato: calor latente de vaporización del agua = 540 cal/g

7. Calcula la energía térmica que se debe suministrar a 1250 g de hielo a 0 °C para convertirlo en agua a 60 °C. Datos: calor específico del agua = 4,18 ⋅ 103 J kg−1 °C−1; calor latente de fusión del hielo = 3,34 ⋅105 J/kg

8. Indica qué sucede si se añaden 0,15 kg de hielo a 0 °C a 0,25 kg de agua a 20 °C. a) ¿Se fundirá todo el hielo? b) ¿Cuál será la temperatura final si no hay pérdidas al entorno? Datos: calor de fusión del hielo = 3,34 ⋅105 J/kg; calor específico del hielo = 2132 J kg−1 °C−1; calor específico del agua = 4,18 ⋅ 103 J kg−1 °C−1

9. Un tramo de vía de tren de hierro tiene una longitud de 12 m a 10 °C. Calcula su longitud en verano cuando la temperatura alcance los 40 °C. Dato: coeficiente de dilatación lineal del hierro, α = 1,17 ⋅ 10−5 °C−1

10. ¿Qué magnitud aumenta cuando un gas se calienta en un matraz de vidrio perfectamente cerrado? ¿Cómo variará la densidad de un gas al cambiar la presión, siendo la temperatura constante?

11. El foco caliente de una máquina térmica produce 1,2 ⋅ 106 cal/min y su rendimiento es del 20 %. a) ¿Cuántos julios cede al refrigerante cada minuto? Página fotocopiable

b) ¿Cuál es la potencia, en vatios, de la máquina?

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Propuestas de evaluación SOLUCIONES A LA PROPUESTA DE EVALUACIÓN 1. a) En el A, por estar a mayor temperatura. b) Se transferirá desde A hasta B por conducción. c) Cuando se alcance el equilibrio térmico y se igualen las temperaturas. Criterio de evaluación 1.1

2.

T (°C)

T (°F)

T (K)

−20 16,6

−4 62

253 289,6

100

212

373

Criterio de evaluación 1.2

3. a) 2

J (cal) 4,18 (J) 103 (g) 1(°C) ⋅ ⋅ ⋅ = 8360 kg K (g °C) 1(cal) 1(kg) 1(K)

J (cal) 4,18 (J) 103 (g) ⋅ ⋅ = 292600 kg (g) 1(cal) 1(kg) c) El calor específico y el calor latente de cambio de estado. Criterio de evaluación 2.1

7. Q = mLf hielo + m ce,agua ∆T  J  J  Q = 1,25 (kg)⋅ 3,34 ⋅105   +1,25 (kg)⋅ 4180  ⋅ 60 (°C)  kg  kg°C

Q = 7,31 ⋅ 105 J Criterio de evaluación 3.1

8. Calor necesario para fundir el hielo:  J Q = mLf hielo = 0,15 (kg) ⋅ 3,34 ⋅ 105   = 5,01 ⋅ 104 J  kg  Calor cedido por el agua al pasar de 20 a 0 °C:  J  ⋅ 20(°C) = 2,09 ⋅104 J Q = mCe agua ∆T = 0,25(kg)⋅ 4180   kg°C No se fundirá todo el hielo y la temperatura final será de 0 °C. Criterio de evaluación 3.1

b) 70

9. ∆L = αL0 ∆T = 1,17 ⋅ 10−5 (°C−1) ⋅ 12(m) ⋅ 30(°C) = 0,0042 m L40 °C = 12,0042 m Criterio de evaluación 3.2

4. La cantidad de energía Q es la siguiente:  J  Q = mCe,Al ∆T = 0,1(kg) ⋅ 898  ⋅ 110 (°C) = 9878 J  kg°C Criterio de evaluación 2.1

5. El calor específico del calorímetro es el siguiente:  kcal   J  0,15  ⋅ 4180  = 627 Jkg−1 °C−1  kcal   kg°C   J  2450 J = 0,4 (kg) ⋅ 627  ⋅ 4 (°C) + 0,55 (kg) ⋅ Ce ⋅ 4 (°C)  kg °C Ce muestra =

1446,8 (J) J = 657,6 0,55(kg) ⋅ 4(°C) kg °C

Criterio de evaluación 2.1

 cal  6. Q = mL V agua = 150 (g) ⋅ 540  = 81000 cal = 338580 J  g 

Criterio de evaluación 3.1

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Unidad 7

Energía térmica y calor

10. La presión. Si la presión aumenta, la densidad también; si la presión disminuye, la densidad también. Criterio de evaluación 3.2

cal  11. a) Trabajo: W = 1,2 ⋅ 106  ⋅ 0,2 = 2,4 ⋅ 105 cal  min  Energía cedida: Q = 1,2 ⋅ 106 − 2,4 ⋅ 105 = 9,6 ⋅ 105 cal/min 4,18 (J) En julios: Q = 9,6 ⋅ 105 (cal) ⋅ = 4,01 ⋅ 106 J 1(cal) W 2,4 ⋅ 105 (cal) ⋅ 4,18 (J/cal) = = 1,67 ⋅ 104 W t 60 (s/min) Criterio de evaluación 4.1

b) P =

SOLUCIONARIO

Energía térmica y calor

Unidad 7

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SOLUCIONARIO Unidad 7

Energía térmica y calor

DESARROLLA TUS COMPETENCIAS 1. Explica el fenómeno de la brisa de tierra o corriente de aire que circula por las noches desde la tierra hacia el mar. Durante la noche, el aire, en contacto con el agua, está más caliente que el aire próximo al suelo, porque la tierra se enfría más rápidamente. El aire caliente próximo al mar y que circula por las capas altas se mueve hacia la tierra, y el aire próximo al suelo pasa a ocupar su lugar, ocasionando la circulación de la brisa desde la tierra hacia el mar. 2. ¿Por qué se dice que la brisa diurna es húmeda y la brisa nocturna es seca? Porque en la brisa diurna circula aire más frío del agua a la tierra; este aire que estaba en contacto con el agua es húmedo. En cambio, por la noche, el aire frío circula desde la tierra hacia el mar y es más seco.

EJERCICIOS PROPUESTOS 1. Explica cuándo se alcanza el equilibrio térmico si se añaden cubitos de hielo a una taza de café caliente para enfriarlo. Cuando la taza de café, el café y el agua procedente de la fusión del hielo alcancen la temperatura ambiente. 2. El cuerpo humano produce continuamente energía a partir de los alimentos que ingiere y cede parte de esta energía al ambiente. ¿Se encuentra el cuerpo humano en equilibrio térmico? Aunque hay un intercambio de energía con el exterior, el cuerpo humano tiene un sistema termorregulador para mantener su temperatura más o menos constante. 3. El nitrógeno se licua a −195,8 ªC. Expresa esta temperatura en K y en °F. T(K) = T(°C) + 273 = −195,8 °C + 273 = 77,2 K;

T(°C) T(°F) − 32 −195,8 T(°F) − 32 = ⇒ = ⇒ T(°F) = −320,4 °F 5 9 5 9

4. Explica por qué un suelo de madera parece más caliente que un suelo de mármol, aunque ambos están a la misma temperatura. El suelo de mármol es mejor conductor del calor que el suelo de madera, por lo que la transferencia de energía es más rápida entre el mármol y el cuerpo humano que con la madera, y la sensación provocada es que está más frío. 5. ¿Por qué hay que dejar varios minutos en contacto el termómetro con el cuerpo humano para medir su temperatura? Se necesita un cierto tiempo para que la transferencia de energía consiga el equilibrio térmico (igualdad de temperaturas) entre el termómetro y el cuerpo. 6. Indica por qué no puede propagarse el calor por convección en los sólidos. Pon algún ejemplo en el que el calor se transmita por convección dentro de una casa. Porque su propagación se realiza mediante desplazamiento de materia. La energía cedida por los radiadores de calefacción en una habitación se transmite principalmente por convección a toda la habitación. 7. Busca información sobre la idea del calórico en los siguientes enlaces: www.e-sm.net/fq4esoc58 www.e-sm.net/fq4esoc59. ¿Se ha podido medir la masa de ese fluido? La teoría del calórico consideraba el calor como un fluido hipotético que impregnaría la materia y sería responsable de su calor. No se ha podido medir su masa porque no es un fluido; los cuerpos solo intercambian energía, no materia. 8. Calcula la energía necesaria para calentar el agua de una bañera de 100 L desde 18 hasta 38 °C. La masa de 100 L de agua son 100 kg.

Q = m ce (Tf − T)i = 100 ⋅ 4180 ⋅ (38 − 18) = 8,36 ⋅ 106 J

9. Se mezclan 5 L de agua a 50 °C con 10 L de agua a 15 °C. Calcula la temperatura final de los 15 L. El agua fría absorbe energía y el agua caliente la cede. Según el principio de conservación de la energía: Qabs + Qced = 0 ⇒ Qabs + Qced = 10 ⋅ 4180 ⋅ (Tf − 15) + 5 ⋅ 4180 ⋅ (Tf − 50) = 0 ⇒ Tf = 26,7 ºC 10. ¿A qué se llama temperatura de fusión o punto de fusión? ¿Y de ebullición? Temperatura de fusión o punto de fusión es la temperatura a la que una sustancia en estado sólido pasa al estado líquido. Temperatura de ebullición es la temperatura a la que una sustancia en estado líquido pasa al estado gaseoso. 11. Justifica si la siguiente definición es correcta o no: “El calor latente de condensación es la energía absorbida por 1 kg de sustancia en estado gaseoso para pasar al estado líquido”. No es correcta. Una sustancia en estado gaseoso cede energía al pasar al estado líquido.

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Unidad 7

Energía térmica y calor

SOLUCIONARIO 12. Argumenta en cuál de estos procesos se necesita más energía. a) La fusión de 1 kg de aluminio c) La vaporización de 1 kg de agua b) La fusión de 1 kg de cobre d) La vaporización de 1 kg de alcohol Consultando los valores en las tablas de calores latentes de fusión y vaporización se comprueba que el proceso que necesita más energía es la vaporización de 1 kg de agua. 13. El agua en estado líquido presenta una dilatación anómala debido a su estructura molecular: al aumentar la temperatura, el agua se contrae entre 0 y 4 °C y se dilata entre 4 y 100 °C. Investiga las repercusiones de este hecho en relación con la preservación de la vida en ríos y lagos. En invierno, la congelación de los ríos y los lagos comienza en la superficie, y el agua a mayor temperatura (más densa hasta 4 °C) desciende. Se forma una capa de hielo en la superficie que impide la pérdida de calor del agua situada debajo de dicha capa y, por tanto, la congelación de toda la masa de agua, preservando la vida de los seres vivos. 14. La longitud de un puente de hierro es de 40 m, medida un día de invierno en el que la temperatura es de 10 °C. Calcula la longitud de este puente si se midiera en un día de verano con una temperatura de 36 °C. La variación de la longitud del puente es ∆ L = α L0 (T − T0 ) = 1,2 ⋅ 10−5 ⋅ 40 ⋅ (36 − 10) = 0,012 m. Por tanto, la longitud a 36 °C es L = L0 + ∆L = 40,012 m. 15. Dibuja la gráfica p-V para un gas que mantiene constante su temperatura. p La gráfica corresponde a la siguiente función: pV = Cte ⇒ p =

Cte V

V

16. Explica, utilizando la teoría cinética, por qué un gas aumenta su presión cuando se calienta en un recipiente cerrado. Al aumentar la temperatura, aumenta también la energía cinética de las partículas. Si el gas se mantiene a volumen constante, el aumento de choques entre ellas y con las paredes del recipiente aumenta, y se traduce en un aumento de la presión. 17. Razona si las siguientes afirmaciones son verdaderas o no. a) Una máquina térmica puede transformar en trabajo mecánico toda la energía que se le suministra mediante calor. b) El rendimiento de una máquina térmica mejora si se aumenta la diferencia entre las temperaturas de sus focos caliente y frío. a) No es verdadera. Gran parte de la energía que consume una máquina térmica se emplea en calentar las piezas de la propia máquina y el entorno. El rendimiento de las máquinas térmicas oscila entre el 10 y el 40 %. b) Sí es verdadera. El rendimiento es proporcional a la diferencia de temperatura entre los focos, r = (T1 − T2) / T1; por tanto, el rendimiento de una máquina térmica puede mejorarse si se consigue aumentar esta diferencia. 18. ¿Cuál es el rendimiento, en porcentaje, de una máquina térmica cuyo foco caliente funciona a 550 °C, y su foco frío, a 100 °C? ¿Y si el foco frío funciona a 200 °C? Si el foco frío, T2, funciona a 100 °C: T1 = 550 + 273 = 823 K; T2 = 100 + 273 = 373 K T (K) − T2 (K) 823 − 373 ⋅ 100 = ⋅ 100 ⇒ r(%) = 54,7% El rendimiento en porcentaje será: r(%) = 1 T1 (K) 823 Si el foco frío funciona a 200 °C: T1 = 550 + 273 = 823 K; T2 = 200 + 273 = 473 K; r(%) = 42,5 % 19. Del escape de una máquina de vapor se reciben 805 000 J. Si la caldera puede proporcionar 1,2 · 106 J, ¿qué trabajo es capaz de realizar dicha máquina de vapor? Q1 = W + Q2 ⇒ W = Q1 − Q2 = 1,2 ⋅ 106 − 8,05 ⋅ 105 = 3,95 ⋅ 105 J

TRABAJO EN EL LABORATORIO 1. ¿Por qué se calcula el equivalente en agua del calorímetro? Porque el calorímetro también absorbe parte de la energía que se transfiere mediante calor y, por tanto, influye en el proceso de equilibrio térmico. 2. Intenta identificar el metal utilizado comparando el valor obtenido con una tabla de calores específicos. Se comparan los resultados con tablas de calores específicos. 3. Señala qué errores se pueden haber cometido en las medidas en la realización de la experiencia. Aparte de los errores propios de las lecturas y de los aparatos de medida, el bloque pierde parte de su temperatura hasta que llega al calorímetro; además, el calorímetro puede tener pérdidas que proporcionen un resultado incorrecto.

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SOLUCIONARIO ACTIVIDADES 20. Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas o no y por qué. a) La temperatura mide la cantidad de calor que tiene un cuerpo. b) El agua de una piscina a 21 °C tiene más energía interna que un vaso de agua a 45 °C. c) Si aumenta la temperatura de un cuerpo, su energía interna también aumenta. d) La unidad de temperatura absoluta es el grado kelvin. a) Falsa. No se puede hablar de la cantidad de calor que tiene un cuerpo. b) Verdadera. La energía interna depende de la masa, y el agua de la piscina tiene mucha más masa que la del vaso. c) Verdadera. Si aumenta la temperatura de un cuerpo, se incrementa el movimiento térmico de sus partículas y aumenta, por tanto, su energía interna. d) Falsa. La unidad de temperatura absoluta es el kelvin. El “grado kelvin” no es ninguna unidad física. 21. El mercurio sube en un termómetro 2 cm por cada 10 °C que aumenta la temperatura. Calcula cuánto sube por cada grado Fahrenheit. El aumento de 10 °C corresponde en la escala Fahrenheit a un aumento de: 9 9 9 9     ∆T(°F) = Tf (°F) − T(°F) =  32 + Tf (°C) −  32 + T(°C) = 10 = 18°F ) i i i  = ( Tf (°C) − T(ºC)    5 5 5 5 2 El mercurio sube 2 cm por cada 18 °F. Por tanto, por cada grado Fahrenheit sube ∆L = = 0,11cm/ºF. 18

22. Las agencias de meteorología han comunicado que la temperatura en Nueva York ha oscilado entre 20 y 40 °F. ¿Están refiriéndose a un día de verano o de invierno? Estas temperaturas expresadas en la escala Celsius son las siguientes: T(°C) T(°F) − 32 5 5 = ⇒ T(°C) = (T(°F) − 32) = (20 − 32) = −6,7 °C; análogamente, 40 °F equivalen a 4,4 °C. 5 9 9 9 Estas temperaturas, entre −6,7 y 4,4 °C, corresponden a un día de invierno.

23. ¿Puede un cuerpo llegar a una temperatura de −2 K? ¿Por qué? No. La materia no puede encontrarse a −2 K, ya que 0 K es la temperatura mínima que un cuerpo puede tener; a esta temperatura cesa el movimiento térmico de sus partículas. No existen los valores negativos de la escala absoluta. 25. Indica qué mecanismos de transferencia de energía mediante calor se han seguido en cada uno de los siguientes fenómenos de la vida diaria. a) Una habitación se caldea mediante un radiador de calefacción. b) Un vaso de leche se calienta en el microondas. c) Una persona siente frío al meterse en el agua del mar. d) Se calienta el agua para una infusión con un pequeño calentador eléctrico. e) La broca de un taladro de mano se enfría introduciendo su extremo en un recipiente con agua fría. f) Una taza de café se enfría añadiendo leche fría. a) Principalmente por convección; también por radiación. b) Radiación. c) Conducción. d) Conducción y convección. e) Conducción. f) Conducción. 26. Silvia introduce un calentador de inmersión de 60 W en un recipiente que contiene medio litro de agua. El termómetro que ha introducido en el agua indica 18 °C. Al cabo de cinco minutos, el termómetro indica que la temperatura del agua ha subido hasta 26 °C. a) ¿Puede Silvia medir con estos datos el calor específico del agua? b) ¿Qué valor obtendría? c) Silvia obtiene un valor del calor específico del agua mayor que 4180 J kg−1 K−1 (que es el verdadero). Razona por qué ha obtenido un valor mayor que el esperado. a) y b) Energía cedida por el calentador durante 5 minutos (300 s): Q = Pt = 60(W) ⋅ 300(s) = 18 000 J Si se calcula el calor específico del agua a partir de este dato, se tiene: 18000 Q = = 4500 Jkg−1 ºC−1 0,5 ⋅ (26 − 18) m(Tf − T)i c) No toda la energía Q cedida por el calentador se invierte en calentar el agua; parte se pierde en calentar el entorno. La energía Q’ que se cede efectivamente al agua es menor que Q. Para calcular correctamente el calor específico del agua debería utilizarse Q’, no Q, con lo que se obtendría un valor de ce menor que el obtenido por Silvia. Q = mce (Tf − T)i ⇒ ce =

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Unidad 7

Energía térmica y calor

SOLUCIONARIO 27. Da una explicación científica de los siguientes hechos de la vida diaria. a) En los países cálidos, las fachadas de las casas se pintan de color blanco. b) En verano se suele vestir con prendas claras y en invierno, con oscuras. c) La temperatura de un líquido encerrado en un termo se mantiene durante mucho tiempo. d) Al calentar agua al baño María, nunca llega a hervir. a) Los objetos de color blanco son los que absorben menos cantidad de energía por radiación. Por esta razón, las fachadas de las casas se pintan de color blanco en los países cálidos, para que se calienten menos con la radiación solar. b) Los objetos de color negro son los que absorben más cantidad de energía por radiación. Por ello, para absorber menos energía radiante, en verano se suelen vestir prendas claras, mientras que para captar más energía por radiación, en invierno se suelen usar prendas oscuras. c) El termo tiene una doble pared en la que se ha hecho el vacío. Por tanto, es un conductor muy malo del calor, lo que permite que un líquido en su interior mantenga la temperatura mucho tiempo. d) La sustancia calentada al baño María llega por equilibrio térmico a la misma temperatura de la que recibe la energía. Cuando el agua que está en contacto directo con el fuego llega a los 100 °C, comienza el cambio de estado denominado ebullición. En un cambio de estado, la temperatura permanece constante; si la sustancia que está siendo calentada al baño María llega al equilibro térmico con ella, se deja de transferir calor, porque ambas están a 100 °C. Como no hay intercambio de energía, la sustancia calentada al baño María no puede hervir. 28. Para obtener una infusión se necesita llevar agua a ebullición. Calcula qué cantidad de energía es necesaria para preparar una infusión a partir de 200 cm3 de agua a temperatura ambiente (18 °C). La masa de 200 cm3 de agua son 0,2 kg. Q = mce (Tf − T)i ⇒ 0,2 ⋅ 4180 ⋅ (100 − 18) = 6,9 ⋅ 104 J 29. Amplia mediante internet tus conocimientos sobre los temas relacionados con calor y temperatura: equilibrio térmico, capacidad calorífica y calor específico. Puedes consultar en el siguiente enlace: www.e-sm.net/fq4esoc60. a) ¿Por qué se dice que el equilibrio térmico es un fenómeno análogo a lo que sucede con los vasos comunicantes? b) ¿Por qué la curva de calentamiento de un cuerpo es una línea recta? a) ¿Qué significa que una sustancia tenga una alta capacidad calorífica? a) De manera análoga a como en los vasos comunicantes se llega al equilibrio mediante una igualdad de niveles, en el equilibrio térmico se llega a un igualdad de temperaturas. b) Para un cuerpo de masa y calor específico determinados, la cantidad de energía suministrada para calentarlo es proporcional al incremento de temperatura: Q = m ce ∆T. Esta ecuación corresponde a la gráfica de una línea recta. c) Una sustancia tiene una alta capacidad calorífica cuando puede absorber mucha energía para un incremento determinado de temperatura. 31. Calcula la cantidad de energía necesaria para: a) Fundir completamente 1 kg de hielo a 0 °C c) Vaporizar completamente 1 L de agua b) Calentar 1 L de agua desde 0 hasta 100 °C d) Vaporizar completamente 1 kg de hielo a 0 °C a) Qf = Lf m = (3,34 ⋅ 105 ) ⋅ 1 = 3,34 ⋅ 105 J b) Qc = mce (Tf − T)i ⇒ 1 ⋅ 4180 ⋅ (100 − 0) = 4,18 ⋅ 105 J c) Qv = L v m = (2,26 ⋅ 106 ) ⋅ 1 = 2,26 ⋅ 106 J d) Para vaporizar completamente 1 kg de hielo a 0 °C se requieren estos pasos: 1.º) fundir el hielo; 2.º) calentar el agua resultante desde 0 hasta 100 °C, y 3.º) vaporizar completamente el agua. Por tanto, la energía necesaria es: Q = Qf + Qc + Qv = 3,34 ⋅ 105 + 4,18 ⋅ 105 + 2,26 ⋅ 106 = 3,01 ⋅ 106 J 32. Calcula la cantidad de energía que hay que extraer a 2 kg de hierro líquido que se encuentra a su temperatura de fusión para solidificarlo. Qf = Lfm = (2,75 ⋅ 105 ) ⋅ 2 = 5,5 ⋅ 105 J 33. Un grupo de estudiantes ha investigado el calenTemperatura mp tamiento de la misma masa de dos sustancias sólidas diferentes. Han representado los resultados Sustancia 1 obtenidos en la gráfica de la figura. Señala en cada caso, justificando tu respuesta, cuál de las dos sustancias tiene: a) El punto de fusión más alto Sustanci cia 2 Sustancia b) El calor latente de fusión mayor c) El mayor calor específico en estado sólido d) El mayor calor específico en estado líquido Energía e) La temperatura de vaporización más baja a) La sustancia 1 tiene el punto de fusión más alto porque comienza el cambio de estado a mayor temperatura. b) La sustancia 1 tiene el calor latente de fusión mayor porque el tramo horizontal correspondiente a la fusión es más largo en la gráfica. c) La sustancia 2 tiene el mayor calor específico en estado sólido porque la pendiente de la recta correspondiente es menor: se necesita más energía para lograr un mismo aumento de temperatura.

Energía térmica y calor

Unidad 7

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SOLUCIONARIO d) La sustancia 2 también tiene el mayor calor específico en estado líquido porque también la pendiente de la recta correspondiente es menor; se necesita más energía para lograr un mismo aumento de temperatura en estado líquido. e) La sustancia 1 tiene la temperatura de vaporización más baja porque se vaporiza a una temperatura en la que la sustancia 2 aún permanece en estado líquido. 34. Calcula la energía desprendida por 10 g de agua que se ha condensado sobre el cristal de una ventana un día de invierno. Qv = L v m = (2,26 ⋅ 106 ) ⋅ 0,010 = 2,26 ⋅ 104 J 35. Da una explicación científica de los siguientes hechos. a) En la cima del Everest, el agua hierve a 72 °C. b) Una persona que patina sobre hielo funde este con sus cuchillas, pero el hielo se solidifica después de su paso. c) Cuando la presión atmosférica disminuye, el punto de ebullición del agua es menor. d) La comida se cocina antes en una olla a presión que en una cazuela abierta. e) En un día caluroso, una persona pierde más energía por la evaporación del sudor que por conducción y por radiación. f) El viento aumenta la sensación de frío en los días de invierno, pero alivia la sensación de calor en los días de verano. g) Si se llena un frasco seco con hielo y se cierra herméticamente, en pocos minutos, la parte exterior del frasco está mojada. h) Si se pone una cacerola a calentar en una cocina y al comenzar la ebullición se aumenta el fuego, la temperatura del agua no varía. i) Para enfriar algunos locales se instalan vaporizadores de agua. a) La temperatura de ebullición del agua disminuye cuando disminuye la presión atmosférica. En la cima del Everest, la presión atmosférica es inferior a una atmósfera y el agua hierve a menos de 100 °C. b) La presión ejercida por los patines ejerce una fuerza sobre el hielo; la energía transferida funde el hielo. El agua resultante se solidifica a continuación absorbiendo energía de la masa de hielo que la rodea. c) Al disminuir la presión atmosférica, también lo hace la fuerza que se ejerce sobre el estado líquido del agua, que contribuye a que se mantengan unidas las partículas. De este modo necesitan menos energía para abandonar el líquido y, como consecuencia, disminuye la temperatura de ebullición. d) En el interior de una olla de este tipo, el valor de la presión es alto y el punto de ebullición del agua es superior a 100 °C. A temperaturas superiores a 100 °C, la cocción de los alimentos es más fácil y rápida. e) El agua del sudor, al evaporarse, absorbe más energía que la que cede el cuerpo por conducción o radiación. Cuando aumenta la sudoración en un día caluroso, la evaporación es el principal procedimiento de disipación de energía. f) El viento favorece la evaporación del sudor sobre la piel. La vaporización del agua absorbe energía, lo que se traduce en una mayor sensación de frío en los días de invierno, pero en una sensación de refrescamiento en los días de verano. g) El vapor de agua, en contacto con las paredes frías del frasco, les cede energía y pasa del estado gaseoso al estado líquido, lo que se aprecia como humedad sobre las paredes del frasco. h) La temperatura del agua durante el cambio de estado no varía. Aunque se aumente el aporte de energía, la temperatura del agua se mantendrá constante durante la ebullición. i) Las gotitas de agua producidas se vaporizan absorbiendo energía del entorno, con lo que disminuyen la temperatura de este. 36. Moisés quiere fundir 500 g de hielo a 0 °C añadiendo agua a 50 °C. ¿Qué cantidad de agua necesita? La energía necesaria para fundir 0,5 kg de hielo es Qf = Lf m = (3,34 ⋅ 105 ) ⋅ 0,5 = 1,67 ⋅ 105 J. −” indica que la cede), al enfriarse desde 50 hasta 0 °C: La masa m de agua cede la energía, −1,67 ⋅ 105 J (el signo “− Q = mce (Tf − T)i ⇒ m ⋅ 4180 ⋅ (0 − 50) = −1,67 ⋅ 105 J ⇒ m = 0,8 kg = 800g 37. Calcula la energía necesaria para fundir completamente un bloque de aluminio de 2 kg que se encuentre a una temperatura de 20 °C. Dato: temperatura de fusión del aluminio: 933 K La temperatura de fusión del aluminio en la escala Celsius es de T = 933 – 273 = 660 °C. El proceso requiere dos pasos: calentar el aluminio desde 20 °C hasta su temperatura de fusión y fundirlo. Es preciso calcular la energía necesaria en cada paso: 1.º Calentar el aluminio desde 20 hasta 660 °C: Q1 = mce (Tf − T)i = 2 ⋅ 909 ⋅ (660 − 20) = 1,16 ⋅ 106 J 2.º Fundir 2 kg de aluminio: Q2 = Lf m = (3,95 ⋅ 105 ) ⋅ 2 = 7,9 ⋅ 105 J La energía total necesaria es Q = Q1 + Q2 = 1,95 ⋅ 106 J 24

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SOLUCIONARIO 38. Natalia quiere fundir 100 g de hielo que ha sacado del congelador a −18 °C. Para ello, vierte sobre el hielo 150 cm3 de agua que ha calentado hasta 45º C. a) ¿Qué energía absorbe el hielo para pasar de −18 a 0 °C? b) ¿Qué energía debería absorber el hielo a 0 °C para fundirse completamente? c) ¿Qué energía cede el agua al enfriarse desde 45 hasta 0 °C? d) ¿Por qué Natalia no consigue fundir todo el hielo? e) ¿Cuánto hielo quedará sin fundir? f) ¿Cuál será la composición final del sistema y su temperatura? a) Q1 = mce (Tf − T)i = 0,1 ⋅ 2132 ⋅ (0 − (−18)) = 3,84 ⋅ 103 J b) Qf = Lf m = (3,34 ⋅ 105 ) ⋅ 0,1 = 3,34 ⋅ 104 J −” indica que es energía que cede el agua). c) Q2 = mce (Tf − T)i ⇒ 0,150 ⋅ 4180 ⋅ (0 − 45) = −2,82 ⋅ 104 J (el signo “− d) No. La energía cedida por el agua caliente (2,82 ⋅ 104 J) no es suficiente para calentar el hielo y fundirlo: Q1 + Qf = 3,84 ⋅ 103 + 3,34 ⋅ 104 = 3,72 ⋅ 104 J e) Con la energía cedida por el agua se puede calentar el hielo desde −8 hasta 0 °C y fundir m’ kg de hielo: Q1 + Q′f + Q2 = 0; 3,84 ⋅ 103 + Lf m′ − 2,82 ⋅ 104 = 0 ⇒ 3,84 ⋅ 103 + m′ ⋅ 3,34 ⋅ 105 − 2,82 ⋅ 104 = 0 ⇒ m′ = 0,073kg = 73g Quedará una masa de 27 g de hielo sin fundir (100 − 73 = 27 g). f) El sistema final estará compuesto por 27 g de hielo y 223 g de agua (73 g provenientes de la fusión del hielo más los 150 g del agua inicialmente caliente), a una temperatura de 0 °C. 39. La Torre Eiffel de París mide, incluida la antena de radio situada en su parte más alta, 325 metros de altura y está hecha de acero. Las temperaturas en la capital francesa pueden variar hasta 40 °C entre los días más fríos del invierno y los más calurosos del verano. Calcula la variación de altura que puede experimentar la Torre Eiffel como consecuencia de los cambios de temperatura. Dato: αFe = 1,2 ⋅ 10−5 °C Aplicando la ecuación de la dilatación lineal: ∆L = α L0 (T − T0 ) ⇒ ∆L = 1,2 ⋅ 10−5 ⋅ 325 ⋅ 40 = 0,16 m = 16 cm 40. Una esfera maciza de aluminio tiene un diámetro de 8 cm, medidos a 0 °C. Calcula su incremento de volumen si se calienta desde 0 hasta 200 °C. El radio de la esfera es R = 4 cm = 0,04 m; volumen de la esfera a 0 °C: V = 4/3πR3 = 4/3π ⋅ 0,043 = 2,68 ⋅ 10−4 m3 Coeficiente de dilatación cúbica del aluminio: γ = 3α = 3 ⋅ 2,4 ⋅10−5 = 7,2 ⋅ 10−5 °C−1 El incremento de volumen es: ∆V = γ V0 (T − T0 ) ⇒ ∆V = 7,2 ⋅ 10−5 ⋅ 2,68 ⋅ 10−4 ⋅ (200 − 0) = 3,9 ⋅ 10−6 m3 = 3,9 cm3 42. Argumenta si las siguientes afirmaciones son verdaderas o no. a) Todos los cuerpos se dilatan al calentarlos. b) El cobre se dilata más que el hierro. c) Los coeficientes de dilatación cúbica del hielo y del agua líquida son iguales. a) No es verdadera. En general, los cuerpos se dilatan al calentarlos, pero hay excepciones; por ejemplo, el agua se contrae al calentarse entre 0 y 4 °C. b) Verdadera. El coeficiente de dilatación del cobre (1,7 ⋅ 10−5) es mayor que el del hierro (1,2 ⋅ 10−5). c) No es verdadera. El agua tiene coeficientes de dilatación diferentes en estado sólido y en estado líquido. 43. Da una explicación científica de los siguientes hechos. a) Una botella completamente llena de agua se rompe cuando se deja en el congelador del frigorífico. b) En los oleoductos se sitúan zonas de expansión a intervalos regulares. a) El hielo tiene menos densidad que el agua; por tanto, una masa de hielo ocupa más volumen que una misma masa de agua. Al pasar el agua del estado líquido al estado sólido experimenta una dilatación, que es suficiente para romper una botella completamente llena de agua cuando se deja en el congelador del frigorífico. b) Para que cuando se dilaten con el calor, las tuberías no se deformen.

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SOLUCIONARIO 44. En unos experimentos realizados con gases se han obtenido los valores de la tabla siguiente (presión expresada en atmósferas; volumen, en litros; temperatura, en kelvin). Completa la tabla en tu cuaderno e indica qué ley de los gases has aplicado en cada caso. Estado inicial

Estado final

p0

V0

T0

p

1

1

200

1

1

300

1

50

100

1

10

6

2

Ley

V

T

2

0,5

200

Boyle

1

0,3

90

Charles

0,5

50

50

Gay-Lussac

100

1

50

500

Charles

120

15

2

300

Gay-Lussac

45. Un gas se encuentra inicialmente a presión p0, volumen V0 y temperatura T0. A continuación, mediante un proceso a presión constante, pasa a un estado definido por p0, V’ y T. Después, mediante un proceso a temperatura constante, pasa a un estado final definido por p, V y T. Deduce, aplicando las leyes de los gases, la denominada ecuación de estado de un gas ideal: p0 V0 pV = T0 T T V0 V0 V′ = ⇒ V′ = En el primer paso, a presión constante, se cumple: T0 T0 T En el segundo paso, a temperatura constante, se cumple: p0 V ′ = pV Por tanto: p0 V ′ = pV ⇒ p0

pV pV T V0 = pV ⇒ 0 0 = T0 T0 T

46. Explica las repercusiones que tiene la dilatación anómala del agua para la flotabilidad de los icebergs. Que el hielo sea menos denso que el agua y que, por tanto, los icebergs floten en ella. 47. Explica por qué en los puentes y en los edificios se dejan zonas de expansión para evitar que se deforme su estructura. Las variaciones de temperatura provocan dilataciones y contracciones de la longitud. Para evitar deformaciones en la estructura se dejan zonas de expansión que permitan la dilatación. 48. Describe y explica los movimientos del pistón de uno de los cilindros en un motor de explosión de cuatro tiempos. En el primer tiempo se abre la válvula de entrada y el pistón baja; entra en el cilindro una mezcla de aire y gasolina. En el segundo tiempo se cierran las válvulas, y el pistón sube y comprime la mezcla hasta una octava parte del volumen inicial. En el tercer tiempo salta una chispa eléctrica desde las bujías, la mezcla se quema y el pistón es empujado hacia abajo. En el cuarto tiempo se abre la válvula de salida y el pistón sube, empujando los gases de la combustión hacia el exterior. 49. Las turbinas de vapor funcionan de modo similar a las turbinas hidráulicas: un chorro de vapor, calentado con la energía generada en la quema de un combustible, incide sobre las paletas de la rueda giratoria de la turbina realizando un trabajo mecánico de rotación. Observa un vídeo sobre su funcionamiento en www.e-sm.net/fq4esoc61 e indica las diferencias con una turbina de gas. En las turbinas de gas, los gases generados continuamente al quemar un combustible son expulsados hacia atrás por una tobera, impulsando el vehículo hacia delante. 50. Razona si las siguientes afirmaciones son verdaderas o no. a) Si el rendimiento de un motor aumenta, su potencia también aumenta. b) Las locomotoras de vapor tenían un rendimiento superior al 50 %. c) Los motores de los automóviles tienen un rendimiento inferior al 50 %. d) Un frigorífico no es una máquina térmica. e) Una máquina térmica tendría un rendimiento del 100 % si la temperatura de su foco frío se pudiera mantener a 0 K. a) Verdadera. Si aumenta el rendimiento, aumenta el trabajo realizado, y el trabajo por unidad de tiempo o potencia. b) No es verdadera. Las locomotoras de vapor tenían un rendimiento inferior al 10 %. c) Verdadera. Los motores de explosión tienen un rendimiento del 25 al 35 %. d) Falsa. Un frigorífico es una máquina térmica que funciona al revés, extrae energía del foco frío (interior del frigorífico) y cede energía al foco caliente (la habitación). T − T2 T = 100 ⋅ 1 = 100; pero no es posible alcanzar la temperatura e) Verdadera. Si T2 = 0, entonces r(%) = 100 ⋅ 1 T1 T1 de 0 K, por lo que nunca se puede lograr un 100 % de rendimiento.

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Energía térmica y calor

SOLUCIONARIO 51. Una máquina térmica, que tiene un rendimiento del 22 %, absorbe 16 kW h de un foco caliente y cede energía como calor al ambiente, cuya temperatura es de 15 °C. Calcula: a) La energía cedida como calor por el foco caliente a la máquina. b) La energía útil que proporciona la máquina. c) La energía disipada como calor al entorno. d) La temperatura del foco caliente. e) Si la temperatura ambiente disminuye, ¿aumentará o disminuirá el rendimiento de la máquina? a) Energía cedida por el foco caliente: Q1 = 16 (kW h) = 16 (kW h) ⋅ b) La energía útil que proporciona la máquina es: r(%) = 100 ⋅

3,6 ⋅ 106 (J) = 5,76 ⋅ 107 J 1(kW h)

W r(%) 22 ⇒ W = Q1 ⋅ = 5,76 ⋅ 107 ⋅ = 1,27 ⋅ 107 J Q1 100 100

c) Energía disipada: Q2 = Q1 − W = 5,76 ⋅ 107 − 1,27 ⋅ 107 = 4,49 ⋅ 107 J d) La temperatura del foco frío (el ambiente) es: T2 = 15 + 273 = 288 K T − T2 T − 288 r(%) = 100 ⋅ 1 ⇒ 22 = 100 ⋅ 1 ⇒ T1 = 369K. La temperatura del foco caliente es T1 = 369 – 273 = 96 °C. T1 T1 e) Si la temperatura ambiente disminuye, la diferencia entre las temperaturas de los focos caliente y frío se hará mayor y, por tanto, el rendimiento aumentará. 52. Mateo afirma que los barcos podrían navegar con un motor de una máquina que convirtiera el agua del mar en hielo y aprovechara así toda la energía cedida en la condensación del agua marina para realizar un trabajo mecánico y desplazarlos. a) Argumenta por qué la propuesta de Mateo no es realizable. b) Indica cuál sería el rendimiento del motor propuesto por Mateo. c) Señala qué diferencias hay entre la “máquina de Mateo” y una máquina térmica. a) No es posible convertir en energía útil toda la energía absorbida de un foco; parte de esa energía se disipa siempre al entorno. b) Sería del 100 %, porque convertiría toda la energía suministrada en energía aprovechable o energía útil. c) Una máquina térmica real tiene siempre un rendimiento menor que 1 y disipa energía caloríficamente. 53. Dada la siguiente afirmación: “El agua hierve a 100 °C”. Resulta que en vuestra localidad, el agua hierve a 97 °C y no a 100 °C, y por ello os habéis propuesto investigar sobre la temperatura de ebullición. Navegando en internet os encontráis los siguientes datos sobre el punto de ebullición del agua en función del valor de la presión exterior. pext (mm Hg)

Teb del agua (°C)

50

38,1

380

80,9

700

97,7

760

100,0

800

101,4

1520

119,6

7600

211,4

Como mm Hg no es una unidad que os resulte familiar, decidís elaborar una tabla con cuatro columnas a partir de los datos anteriores. Las tres primeras columnas contienen los datos de la presión exterior expresados en hectopascales (hPa), en atmósferas (atm) y en milímetros de mercurio (mm Hg). La cuarta columna contiene los datos de la temperatura de ebullición del agua, expresados en °C. a) Completad en vuestro cuaderno los datos de la tabla. b) Representad en una gráfica la variación de la temperatura de ebullición del agua (en °C) con la presión exterior (en hPa). ¿Cuál es la presión atmosférica en vuestra localidad el día que comprobasteis que el agua hervía a 97 °C? c) Apoyándoos en la teoría cinética de la materia, dad una explicación científica de la variación del punto de ebullición del agua con la presión. A partir de los datos obtenidos, extraéis las siguientes conclusiones: – La temperatura de ebullición del agua es de 100 °C a 1 atm de presión. – Si se aumenta la presión exterior, la temperatura de ebullición del agua disminuye. – En la cima de las montañas, el agua hierve a menos de 100 °C. – En un lugar determinado, el agua hierve siempre a la misma temperatura, aunque sea distinta de 100 °C.

Energía térmica y calor

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SOLUCIONARIO d) Argumentad cuáles de estas conclusiones son correctas y cuáles están equivocadas. En un folleto de instrucciones leéis que en una olla a presión cerrada, el agua hierve a 130 °C. e) ¿Cuál es el valor de la presión en el interior de esa olla? f) ¿Qué explicación tiene que el uso de las ollas a presión facilite la cocción de los alimentos? g) ¿Qué función tiene la válvula que llevan incorporadas las ollas a presión? Finalmente, os preguntáis si el punto de fusión del agua también estará afectado por el valor de la presión exterior, es decir, si el agua pura se congela siempre a 0 °C. h) Teniendo en cuenta la teoría cinética de la materia, ¿es razonable pensar que el punto de fusión de una sustancia varía según la presión exterior? i) En internet leéis que “el punto de fusión de una sustancia es relativamente insensible a la presión exterior”. ¿Qué quiere decir esta afirmación? a) y b)

pext (hPa)

pext (atm)

pext (mm Hg)

Teb del agua (°C)

67

0,066

50

38,1

507

0,500

380

80,9

932

0,920

700

97,7

1013

1

760

100,0

1064

1,050

800

101,4

2026

2

1520

119,6

10130

10

7600

211,4

p ext (mm de Hg) 8 000 2 000 1 800 1 600 1 400 1 200 1 000 800 600 400 200 50

100 150 200 T ebullición del agua

c) Al variar la presión, también lo hace la fuerza que se ejerce sobre el estado líquido del agua, que contribuye a que se mantengan unidas las partículas. De este modo necesitan menos o más energía para abandonar el líquido y, como consecuencia, disminuye o aumenta la temperatura de ebullición. d) La temperatura de ebullición del agua es de 100 °C a 1 atm de presión: correcta. Según se ve en la tabla, el agua hierve a 100 °C a la presión de 1 atm. Si se aumenta la presión exterior, la temperatura de ebullición del agua disminuye: incorrecta. Según se ve en la tabla, si la presión aumenta, la temperatura de ebullición aumenta también. En la cima de las montañas, el agua hierve a menos de 100 °C: correcta. La presión disminuye con la altura, por lo que la temperatura de ebullición del agua será menor en la cima de las montañas. En un lugar determinado, el agua hierve siempre a la misma temperatura, aunque sea distinta de 100 °C: incorrecta. La temperatura de ebullición del agua en un lugar determinado es variable según sea el valor de la presión atmosférica en el momento de la medida. e) Deduciendo el valor de la gráfica, a una temperatura de ebullición de 130 °C corresponde una presión de aproximadamente 2 atm. f) En una olla a presión, el agua tiene un punto de ebullición mayor de 100 °C debido a la mayor presión en su interior. Los alimentos se cocinan a una temperatura superior a 100 °C, lo que es más rápido. g) Tiene una función de seguridad; si la presión alcanza un valor muy elevado en el interior de la olla, la válvula se abre y deja escapar vapor hasta que la presión retorna a un valor de funcionamiento adecuado. Se evita así el riesgo de sobrepresiones. h) Es razonable pensar que la variación de la presión influye en el valor del punto de fusión. Al variar la presión, también lo hace la fuerza que se ejerce sobre el estado sólido del agua, que contribuye a que se mantengan unidas las partículas. De este modo adquieren más o menos movilidad para abandonar el sólido y, como consecuencia, disminuye o aumenta la temperatura de fusión. i) En el estado sólido, las partículas están fuertemente ligadas entre sí, por lo que la influencia de la variación de la presión exterior no es muy grande. Por ello, el punto de fusión varía muy poco con las variaciones de la presión exterior, por lo que se dice que “el punto de fusión de una sustancia es relativamente insensible a la presión exterior”.

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Unidad 5

Fuentes de energía y sostenibilidad

SOLUCIONARIO PON A PRUEBA TUS COMPETENCIAS APLICA TUS CONOCIMIENTOS La fusión del hielo 1. Justifica cuál de las siguientes gráficas es parecida a la que Néstor y Úrsula han dibujado. T (ºC)

T (ºC)

0

0 t (min)

– 20

T (ºC)

t (min) – 20

0 t (min) – 20

A medida que pasa el tiempo, la temperatura de los cubitos aumenta hasta que comienza la fusión. Durante la fusión del hielo, la temperatura permanece constante. Después de fundido todo el hielo, la temperatura continúa aumentando. La gráfica será, por tanto, la primera. 2. ¿Qué temperatura marcaba el termómetro cuando en el vaso había hielo y agua? ¿Por qué? Cuando en el vaso había hielo y agua, se estaba produciendo el cambio de agua sólida a agua líquida. Por tanto, la temperatura permanecía constante e igual a 0 °C, que es la temperatura de fusión del agua. 3. ¿Qué temperatura marcará el termómetro en el momento en el que termine de fundirse todo el hielo? ¿Y media hora después? En el momento en el que termine de fundirse todo el hielo, la temperatura del agua será de 0 °C. Media hora después, el agua estará en equilibrio térmico con el entorno y tendrá la misma temperatura que el ambiente. 4. Razona qué paso necesita más energía. a) Aumentar la temperatura de los cubitos de hielo desde –20 hasta 0 °C. b) Fundirlos. c) Aumentar la temperatura del agua resultante desde 0 °C hasta la temperatura ambiente. Teniendo en cuenta el valor del calor latente de fusión del hielo y los valores de los calores específicos del hielo y del agua, se necesita más energía para fundir los cubitos que para cualquiera de los otros dos pasos de calentamiento. 5. Durante este proceso, señala qué sistemas absorben energía y qué sistemas la ceden. Cede energía el ambiente, incluido el vaso que contiene los cubitos. Absorbe energía el hielo, primero para alcanzar la temperatura de 0 °C y luego para fundirse, y el agua resultante hasta que se caliente al valor de la temperatura ambiente. 6. Néstor y Úrsula quieren investigar si lo que tarda el hielo en alcanzar una cierta temperatura al exponerlo al ambiente depende de su masa. – Para comprobarlo, Úrsula propone el siguiente experimento: depositar seis cubitos de hielo en el vaso y medir el tiempo que tardan en convertirse en agua a 10 °C. Repetir el procedimiento con nueve y después con doce cubitos. Comprobar que la temperatura inicial sea siempre de –20 °C. Comparar a continuación los tiempos medidos en los tres casos. – Néstor, en cambio, propone medir la masa de diez cubitos de hielo con una balanza. Después, situarlos en el vaso y medir con un cronómetro el tiempo que tardan en convertirse en agua a 10 °C. Argumenta qué diseño es más adecuado. El diseño de Néstor es inadecuado, porque con una sola observación no puede determinar cómo influye la masa en el tiempo de calentamiento del hielo. El diseño de Úrsula es más adecuado, ya que estudia cómo influye en el tiempo de calentamiento la masa de hielo que se tenga (que depende del número de cubitos); ha controlado además otras variables, como la temperatura inicial en todas las observaciones. 7. Señala cuáles son las variables dependiente e independiente en el experimento anterior. – Variable independiente: la masa de hielo. – Variable dependiente: el tiempo que tarda la masa de hielo en alcanzar una temperatura determinada.

Fuentes de energía y sostenibilidad

Unidad 5

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SOLUCIONARIO 8. Argumenta cuáles de las siguientes variables que no han sido tomadas en cuenta por los chicos en su experimento pueden influir en los resultados. a) El tamaño del vaso

d) La temperatura ambiente

g) El tamaño de los cubitos

b) El tipo de cristal del vaso

e) Las corrientes de aire

h) La longitud del termómetro

c) La anchura del vaso

f) La forma de los cubitos de hielo

i) El tamaño del congelador

Influyen en el resultado el tamaño y la anchura del vaso (puede haber mayores o menores pérdidas de energía al ambiente), el tipo de cristal del vaso (puede absorber más o menos energía), la temperatura ambiente (afecta al tiempo de calentamiento), las corrientes de aire (pueden facilitar la transferencia de energía al ambiente), y la forma y el tamaño de los cubitos (pueden presentar mayor o menor superficie de contacto). No tienen influencia la longitud del termómetro (que absorbe muy poca energía para su funcionamiento) ni la dimensión del congelador. 9. Néstor y Úrsula han observado que cuando se han fundido todos los cubitos de hielo, el nivel del agua no ha subido. Recordando las noticias que han oído sobre el deshielo de las masas de hielo polares por el cambio climático, han llegado a las siguientes conclusiones: – Néstor: “Si se funden los hielos del Polo Norte que flotan en el mar, el nivel del mar sube”. – Úrsula: “Si se funden los hielos del Polo Norte que flotan en el mar, el nivel del mar no varía”. Argumenta con cuál de ellos estás de acuerdo. Aunque la fusión de los hielos marinos, como los icebergs, no suponga una subida del nivel del mar, las conclusiones del experimento de Úrsula y Néstor no son aplicables a los hielos polares. Estos hielos son, en su mayor parte, capas de cientos de metros de espesor sobre tierra firme. Por tanto, su fusión supondría incrementar la cantidad de agua del mar, con el consiguiente aumento de los mares. 10. Si quisieras ampliar tus conocimientos sobre este tema a través de internet, ¿qué palabras clave utilizarías para la búsqueda de información? Fusión, hielo, nivel, mar, polar, etc.

UTILIZA LAS TIC Conoce a los científicos 1. ¿Qué químico británico fue profesor de Joule? John Dalton. 2. Interpreta la siguiente afirmación de William Thomson (lord Kelvin): “No es posible un proceso cuyo único resultado sea la absorción de calor de una fuente y su conversión completa en trabajo” (1851). Cuando se absorbe energía de una fuente, parte se convierte en trabajo y parte se cede a un foco frío. Es imposible que toda la energía absorbida de una fuente se transforme íntegramente en trabajo sin que haya disipación calorífica al entorno. 3. ¿A qué unidad fundamental del sistema internacional de unidades se le dio el nombre en honor de William Thomson? ¿Y de James Prescott Joule? Al kelvin, unidad de temperatura, y al julio, unidad de energía, ambas en el SI.

LEE Y COMPRENDE Las chimeneas 1. ¿Cuándo se inventaron las chimeneas? Según el texto, la invención de las chimeneas data, al parecer, del primer siglo de la era cristiana. 2. ¿Qué materiales se citan en el texto como combustibles para las chimeneas? La madera, el coque y la hulla. 3. ¿Cuál es el rendimiento de una chimenea que utilice madera? Un 6 %. 4. ¿Por qué no convenía situar obras suntuosas en las habitaciones con focos de calor en el centro? Para que el humo y el hollín no las echasen a perder. 5. ¿Qué papel representan las jambas y los dinteles en una chimenea? Sirven de estructura para sostener las paredes sobre el hogar de la chimenea.

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Unidad 7

Energía térmica y calor

SOLUCIONARIO 6. ¿Por qué el humo se escapaba por las aberturas del techo de las habitaciones? Porque el foco de las chimeneas se colocaba en el centro de la pieza que debía calentarse y se situaba una abertura en el techo para dar salida a los humos producidos. 7. ¿Por qué la chimenea es poco efectiva? Porque la corriente de aire necesaria para la combustión arrastra siempre una cantidad considerable del calor producido, de suerte que este, en gran parte, se pierde a la atmósfera. 8. Explica, con la ayuda del diccionario, el significado que tienen en el texto anterior las siguientes palabras: hogar, suntuoso, jamba, dintel, campana, calorífero, dispendioso y coque. – Hogar. Sitio donde se hace la lumbre en las cocinas, chimeneas y hornos de fundición. – Suntuoso. Grande y costoso. – Jamba. Cada una de las dos piezas labradas que, puestas verticalmente a los lados de la puertas o ventanas, sostienen el dintel. – Dintel. Parte superior de las puertas y ventanas y otros huecos que carga sobre las jambas. – Campana. Aquello que tiene forma semejante a la campana, abierta y más ancha en la parte inferior. – Calorífero. Aparato con que se calientan las habitaciones. – Dispendioso. Costoso, de gasto considerable. – Coque. Combustible sólido, ligero y poroso que resulta de calcinar ciertas clases de carbón mineral. 9. ¿Qué ventajas tiene utilizar coque o hulla en una chimenea en lugar de madera? ¿Y qué inconvenientes? El coque y la hulla tienen un mayor rendimiento energético que la madera, pero producen residuos más contaminantes. 10. ¿Qué combustibles citados en el texto son renovables y cuáles no? La madera es renovable; el coque y la hulla son combustibles fósiles no renovables. 11. ¿Qué transformaciones energéticas se consideran implícitamente en el texto anterior en el funcionamiento de una chimenea? La energía química de los combustibles (madera, coque, hulla) se transfiere al ambiente aumentando su temperatura; la mayor parte de esta energía transferida se disipa mediante las corrientes de aire.

Energía térmica y calor

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Autoría: Julio Puente • Edición: Nicolás Romo, Natividad España • Corrección: José Luis Guzmán • Ilustración: Ariel Gómez, Pablo Jurado • Fotografía: 123RF • Diseño: Pablo Canelas, Alfonso Ruano • Maquetación: Grafilia S.L. • Coordinación de diseño: José Luis Rodríguez • Coordinación editorial: Nuria Corredera • Dirección editorial: Aída Moya

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