guías modulares de estudio física ii parte a. semana 1: la materia y el comportamiento de los...

Guías Modulares de Estudio

Física IIParte A

Semana 1:

La materia y el comportamiento de los

fluidos

La materia y el comportamiento de los fluidos

• Objetivo:

Explicar los fenómenos físicos donde intervienen fluidos en reposo o movimiento, por medio del estudio de las propiedades, estados de agregación de la materia y las características de los líquidos y gases; para su correcta interpretación en la vida cotidiana.


Constitución de la materia.

Estudio de las tres partículas elementales y su asociación• Todo lo que nos rodea es materia; sin embargo, dar una respuesta satisfactoria

desde el punto de vista de la Física a la interrogante: ¿qué es la materia?, aún no es posible, pues hasta el momento lo único que se conoce de la materia es su estructura. La materia es indestructible y puede ser transformada en energía. De la misma manera, se puede crear materia a partir de energía radiante. De donde E = mc2. Podemos decir: la materia es todo lo que existe en el Universo y se halla constituido por partículas elementales, mismas que generalmente se encuentran agrupadas en átomos y en moléculas.

• Estudio de las tres partículas elementales y su asociación• Los constituyentes elementales de la materia son: protones, partículas cargadas

de electricidad positiva; electrones, partículas cargadas de electricidad negativa; y neutrones, partículas sin carga eléctrica.

• Un átomo es la unidad más pequeña posible de un elemento químico; un elemento es una sustancia que sólo contiene átomos de una misma clase; si la materia está formada por átomos de más de una clase se trata de un compuesto o de una mezcla.


Los cuatro estados de agregación de la materia

• La materia se presenta en cuatro estados de agregación molecular: sólido, si la energía cinética de las moléculas es menor que la energía potencial; líquido, si la energía cinética y la potencial de las moléculas son aproximadamente iguales; gaseoso, si la energía cinética de las moléculas es mayor que la energía potencial; plasma, denominado cuarto estado de la materia, es un gas altamente ionizado que se produce a temperaturas mayores a los 5 000 °C, con lo cual la agitación térmica provoca que las moléculas se rompan y los átomos pierdan sus electrones. Este estado de la materia se presenta en estrellas como el Sol, o en la explosión de bombas termonucleares y en los relámpagos.



Ley de la conservación de la materia

• Puesto que la materia se considera eterna, independientemente de la existencia del hombre, la Ley de la Conservación de la Materia establece: “La materia no se crea ni se destruye, sólo se transforma”.

Propiedades generales y algunas particulares de la materia

• Algunas de las propiedades generales de la materia también reciben el nombre de propiedades extensivas, ya que su valor depende de la cantidad de materia, tal es el caso de la masa, el peso, el volumen, la inercia y la energía. La materia presenta propiedades generales que cualquier cuerpo posee y por lo mismo no permiten diferenciar una sustancia de otra; ejemplos de estas propiedades son: volumen, porción de espacio ocupado por el cuerpo; masa, cantidad de materia que contiene un cuerpo; peso, fuerza gravitacional que experimenta la masa de un cuerpo; inercia, oposición que presentan los cuerpos a variar su estado, ya sea de reposo o de movimiento; energía, se define como la capacidad que tienen los cuerpos o sistemas o sistemas de cuerpos para realizar un trabajo; impenetrabilidad, el espacio ocupado por un cuerpo no puede ser ocupado por otro al mismo tiempo; porosidad, espacios vacíos entre las partículas de un cuerpo; divisibilidad, la materia puede dividirse en partículas; elasticidad, propiedad de los cuerpos para recuperar su tamaño y forma original una vez que desaparece la fuerza que ocasiona la deformación.


• Las propiedades características de la materia también reciben el nombre de propiedades intensivas, porque su valor es independiente de la cantidad de materia. Tal es el caso de la densidad de cualquier sustancia como es el agua, en la cual, su densidad será la misma para 1 cm3 que para 10 litros o para cualquier otra cantidad.



• Las propiedades características permiten identificar a una sustancia de otra.

Se clasifican en:

a) propiedades características físicas, si la sustancia no cambia a otra nueva;

b) propiedades características químicas, se refieren al comportamiento de las sustancias al combinarse con otras, así como a los cambios en su estructura íntima.

Algunas de las características físicas más importantes son:

1. Densidad o masa específica, se define como el cociente que resulta de dividir la masa de una sustancia dada entre el volumen que ocupa. Su expresión matemática es: ρ = m/V.

2. Punto de fusión, es la temperatura a la cual una sustancia sólida comienza a licuarse. A una presión determinada, cada sustancia funde y solidifica, a una misma temperatura llamada punto de fusión.

3. Punto de ebullición, a una presión determinada, todo líquido calentado entra en ebullición a una temperatura fija que constituye su punto de ebullición. El punto de ebullición de una sustancia se eleva a medida que se eleva la presión recibida. El punto de ebullición de una sustancia es igual a su punto de condensación.

4. Coeficiente de solubilidad de una sustancia en otra, se define como la cantidad de sustancia en gramos que satura 100 gramos de solvente a una temperatura dada. La solubilidad de una sustancia en otra depende de: a) La semejanza en la composición y estructura química; b) el tamaño de las partículas; c) la temperatura; d) la agitación; e) la presión si se trata de gases y líquidos. La temperatura es el parámetro que más influye en la solubilidad de una sustancia en otra.



Fluidos

El término fluido se aplica a líquidos y gases porque ambos tienen propiedades comunes. No obstante, conviene recordar que un gas puede comprimirse con facilidad, mientras un líquido es prácticamente incompresible.

Características de los fluidos

Las características de los líquidos son las siguientes:

A. viscosidad, es una medida de la resistencia que opone un líquido a fluir;

B. tensión superficial, este fenómeno se presenta debido a la atracción entre las moléculas de un líquido;

C. cohesión, es la fuerza que mantiene unidas a las moléculas de una misma sustancia;

D. adherencia, es la fuerza de atracción que se manifiesta entre las moléculas de dos sustancias diferentes en contacto. Por lo general, las sustancias líquidas se adhieren a los cuerpos sólidos;

E. capilaridad, se presenta cuando existe contacto entre un líquido y una pared sólida, especialmente si son tubos muy delgados llamados capilares.

Examen muestra (Semana 1)

• Define el concepto de materia• Menciona las características de los constituyentes elementales de

la materia• ¿Cuáles son los cuatro estados de agregación de la materia y bajo

qué circunstancia se presenta cada estado? • Enuncia la Ley de la Conservación de la Materia

Semana 2:

La materia y el comportamiento de los

fluidos

• La densidad de una sustancia que se representa con la letra griega rho (ρ) expresa la masa contenida en la unidad de volumen. Su valor se determina dividiendo la masa de la sustancia entre el volumen que ocupa:

• El peso específico de una sustancia se determina dividiendo su peso entre el volumen que ocupa: Pe=P/V

• La ecuación que relaciona la densidad con el peso específico es: Pe = ρg, donde g es la aceleración de la gravedad (9.8 m/s2).

• La presión indica la relación entre una fuerza aplicada y el área sobre la cual actúa: P=F/A.



Presión hidrostática y su modelo matemático

• La presión hidrostática es la que ejerce todo líquido contenido en un recipiente sobre el fondo y las paredes del mismo. Ello debido a la fuerza que el peso de las moléculas ejerce sobre un área determinada. La presión hidrostática en cualquier punto puede calcularse multiplicando el peso específico del líquido por la altura que hay desde la superficie libre del líquido hasta el punto considerado:

Ph = Peh = ρgh

• La presión hidrostática en cualquier punto de un recipiente no depende de la forma de éste ni de la cantidad de líquido que contiene, sino únicamente del peso específico y de la altura que hay del punto considerado a la superficie libre del líquido.

Presión atmosférica, manométrica y absoluta

• La Tierra está rodeada por una capa de aire llamada atmósfera, la cual por su peso ejerce una presión sobre todos los cuerpos que están en contacto con ella, llamada presión atmosférica.

• Dicha presión varía con la altura, por lo que al nivel del mar tiene su máximo valor, o presión normal, equivalente a: 1 atm = 760 mm de Hg = 1.013×105 N/m2.

• Cuando un líquido está encerrado en un recipiente, además de la presión atmosférica recibe otra presión llamada manométrica que puede ser causada por el calentamiento del recipiente. La presión absoluta será la suma de estas dos presiones.



FLUIDOS EN REPOSO

Principio de Pascal

• El principio de Pascal establece que: toda presión que se ejerce sobre un líquido encerrado en un recipiente se transmite con la misma intensidad a todos los puntos del líquido y a las paredes del recipiente que contiene.

• La prensa hidráulica que se utiliza para levantar cuerpos pesados, comprimir algodón o tabaco, extraer aceites y jugos de semillas y frutas, son aplicaciones del principio de Pascal. En una prensa hidráulica una fuerza pequeña que actúa sobre el émbolo menor produce una gran fuerza sobre el émbolo mayor. Su expresión matemática es:


Principio de Arquímedes

• El principio de Arquímedes dice: todo cuerpo sumergido en un fluido recibe un empuje ascendente igual al peso del fluido desalojado.

• Para que un cuerpo flote en cualquier fluido, su densidad promedio debe ser menor a la densidad del fluido.

• El empuje que recibe un cuerpo sumergido en un líquido se determina multiplicando el peso específico del líquido por el volumen desalojado de éste:

• Algunas aplicaciones del principio de Arquímedes son flotación de barcos, submarinos, salvavidas, densímetros, o en los flotadores de las cajas de los inodoras.


FLUIDOS EN MOVIMIENTO

Estudio de los líquidos considerando: Incompresibilidad, viscosidad despreciable y flujo estacionario

• La hidrodinámica es la parte de la física que estudia los líquidos en movimiento. • Sus aplicaciones se observan en el diseño de canales, puertos, presas, cascos de

los barcos, hélices, turbinas y ductos en general.

• Para facilitar el estudio de los líquidos en movimiento, generalmente se hacen las siguientes suposiciones:

1. Todos los líquidos son completamente incompresibles.

2. Se considera despreciable la viscosidad.

3. Se supone que el flujo de los líquidos es estacionario o de régimen estable.


Gasto, flujo, ecuación de continuidad y sus modelos

• El gasto de un líquido se define como la relación entre el volumen de líquido que fluye por un conducto y el tiempo que tarda en fluir:

• El gasto también se calcula multiplicando la velocidad que lleva el líquido por el área de la sección transversal de la columna:

• El flujo de un líquido se define como la cantidad de masa de líquido que fluye a través de una tubería en un segundo:

• La relación entre el flujo y el gasto se tiene con la expresión:

• La ecuación de continuidad establece que la cantidad de líquido que pasa por un punto de una tubería, es la misma que pasa por cualquier punto de la misma:


• Explica por qué algunas de las propiedades generales de la materia reciben el nombre de extensivas.

• Explica por qué a las propiedades características de la materia se les da el nombre de propiedades intensivas.

• Define qué es densidad o masa específica, cuál es su fórmula y unidades en el SI.

• Explica qué se entiende por punto de fusión de una sustancia.

Semana 3:La materia y la energía de

las moléculas

La materia y la energía de las moléculas

• Objetivo:

Distinguir el concepto de temperatura y calor, para verificar que el calor es una energía en tránsito que se produce cuando los cuerpos tienen diferente temperatura.


Temperatura es la magnitud física que indica qué tan caliente o fría es una sustancia respecto a un cuerpo que se toma como base o patrón de medida. Al variar la temperatura, las sustancias se dilatan o se contraen, su resistencia eléctrica cambia y si se trata de un gas, su presión varía.

La temperatura de una sustancia depende del valor de la energía cinética media o promedio de sus moléculas. Por ello se considera que las moléculas de una sustancia no tendrían energía cinética traslacional a la temperatura denominada cero absoluto y que corresponde a cero grados Kelvin o -273.5 °C.

Para medir la temperatura se utiliza el termómetro. Existen diferentes termómetros, el más común es el de mercurio. Para temperaturas menores de -39 °C hasta -130 °C se utiliza el termómetro de alcohol, para temperaturas menores se usa el tolueno y los éteres de petróleo. Si se trata de temperaturas altas se emplean termómetros de resistencia. Existen varias escalas termométricas de uso actualmente, tal es el caso de la Fahrenheit, la Celsius o centígrada y la Kelvin o temperatura absoluta. Hay un límite mínimo de temperatura: 0 K o -273.5 °C, pero no hay un límite máximo de ella, se supone que la temperatura en el Sol alcanza los mil millones de grados.



Se le denomina calor a la transferencia de energía de una parte a otra de un cuerpo o entre distintos cuerpos que se encuentren a diferente temperatura.

El calor es energía en tránsito y siempre fluye de cuerpos de mayor temperatura a los de menor temperatura.

La energía interna de un cuerpo se define como la suma de las energías cinética y potencial de todas las moléculas individuales que lo constituyen.

El calor o energía térmica se propaga siempre de los cuerpos calientes a los fríos de tres diferentes maneras: a) conducción, que es la forma de propagación del calor a través de un cuerpo sólido debido al choque entre sus moléculas. b) convección, es la propagación del calor en los líquidos y gases mediante la circulación de las masas frías hacia abajo, provocándose las llamadas corrientes de convección. c) radiación, es la propagación del calor por medio de ondas electromagnéticas que se esparcen, aún en el vacío, a una velocidad aproximada de 300 000 km/s.

El calor es una de las manifestaciones de la energía y, por tanto, las unidades para medirlo son las mismas que usa el trabajo. Para medir la energía en el SI se usa el joule. De manera práctica se usan la calorías y el Btu. La caloría es la cantidad de calor aplicada a una libra de agua (452 g) a fin de que eleve su temperatura un grado Fahrenheit.

1 Btu = 252 cal; 1 kcal = 1 000 calorías 1 joule = 0.24 cal; 1 cal = 4.2 J.



Cualquier gas, al ser sometido a una presión constante, por cada grado Celsius que cambie su temperatura, variará 1/273 el volumen ocupado a 0 °C.

El agua presenta una dilatación irregular, pues un gramo de ésta a 0 °C ocupa un volumen de 1.00012 cm3; si se calienta, en lugar de dilatarse se contrae, por lo que a la temperatura de 4 °C el agua tiene su volumen mínimo de 1.000 cm3 y alcanza su densidad máxima. En realidad durante el invierno la vida de peces y otras especies acuáticas es posible gracias a la dilatación irregular del agua

Semana 4:La materia y la energía de

las moléculas

Dilatación lineal y su coeficiente

• Los cambios de temperatura afectan el tamaño de los cuerpos, pues la mayoría de ellos se dilatan al calentarse y contraen si se enfrían. Los gases se dilatan mucho más que los líquidos y éstos más que los sólidos.

• En los gases y líquidos las partículas chocan unas con otras de manera continua; pero si se calientan, chocarán violentamente rebotando mayores distancias y provocarán la dilatación.

• En los sólidos las partículas vibran alrededor de posiciones fijas, sin embargo, al calentarse aumentan su movimiento y se alejan de sus centros de vibración dando como resultado la dilatación.

Dilatación lineal y coeficiente de dilatación lineal

• Una barra de cualquier metal al ser calentada sufre un aumento en sus tres dimensiones: largo, ancho y alto, por lo que su dilatación es cúbica.

• En los cuerpos sólidos, cómo alambres, varillas o barras, lo más importante es el aumento de longitud que experimentan al elevarse la temperatura, es decir, su dilatación lineal.

• Coeficiente de dilatación lineal– Es el incremento de longitud que presenta una varilla de determinada sustancia, con un

largo inicial de un metro, cuando su temperatura se eleva un grado Celsius.

– Para calcular el coeficiente de dilatación lineal se emplea la siguiente ecuación:

Coeficiente de dilatación lineal

• Si conocemos el coeficiente de dilatación lineal de una sustancia y queremos calcular la longitud final que tendrá un cuerpo al variar su temperatura, despejamos la longitud de la ecuación anterior:

Consideraciones prácticas sobre la dilatación

• Como la temperatura ambiente cambia de manera continua durante el día, cuando se construyen vías de ferrocarril, puentes e acero, estructuras de concreto armado, y en general cualquier estructura rígida, se deben dejar huecos o espacios libres que permitan los materiales dilatarse libremente para evitar rupturas o deformaciones que pongan en peligro la estabilidad de los construido.

• Dado lo anterior, se instalan en lugar conveniente las llamadas juntas de dilatación, articulaciones móviles que absorben las variaciones de longitud.

Dilatación cúbica y su coeficiente

• Dilatación cúbica– Implica el aumento en las dimensiones de un cuerpo: largo, ancho y alto, lo que

significa un incremento de volumen. La dilatación cúbica se diferencia de la dilatación lineal porque además implica un incremento de volumen.

• Coeficiente de dilatación– Es el incremento de volumen que experimenta un cuerpo de determinada

sustancia, de volumen igual a la unidad, al elevar su temperatura un grado Celsius.

Coeficiente de dilatación cúbica

• Al conocer el coeficiente de dilatación cúbica de una sustancia se puede calcular el volumen que tendrá al variar su temperatura con la siguiente expresión:

Coeficiente de dilatación cúbica

• En el caso de los sólidos huecos la dilatación cúbica se calcula considerando al sólido como si estuviera lleno del mismo material, es decir, como si fuera macizo.

• Para la dilatación cúbica de los líquidos debemos tomar en cuenta que cuando se ponen a calentar, también se calienta el recipiente que los contiene, el cual al dilatarse aumenta su capacidad. Por ello, el aumento real del volumen de líquido, será igual al incremento de volumen del recipiente más el aumento de volumen del líquido en el recipiente graduado.


• ¿Qué es la temperatura de los cuerpos?• ¿Qué efectos se producen en las sustancias al variar su temperatura?• ¿Qué sucede con la energía cinética media o promedio de las sustancias al

incrementarse su temperatura, y qué sucede cuando la temperatura es de 0 K ó -273.5 °C?

• ¿Cómo funciona un termómetro de mercurio?• ¿Qué sustancias se utilizan en los termómetros para medir bajas

temperaturas?• ¿En qué se basa el funcionamiento de los termómetros de resistencia para

medir altas temperaturas?• Describe en que se basaron Fahrenheit, Celsius y Kelvin, para construir sus

escalas termométricas.• Escribe las fórmulas que se emplean para convertir de °C a K; de K a °C;

de °C a °F y de °F a °C.

Dilatación de los gases

• El coeficiente de dilatación cúbica es igual para todos los gases. Es decir, cualquier gas, al ser sometido a una presión constante, por cada grado Celsius que cambie su temperatura, variará 1/273 el volumen que ocupaba a 0°C.

Dilatación irregular del agua

• Por regla general, un cuerpo se dilata cuando aumenta su temperatura. Sin embargo, hay algunas sustancias que en lugar de dilatarse se contraen, tal es el caso del agua: un gramo de agua a 0°C ocupa un volumen de 1.0012 cm³, si se calienta, en lugar de dilatarse se contrae, por lo que a la temperatura de 4°C el aguan tiene un volumen mínimo de 1.00000 cm³ y alcanza una densidad máxima, si se sigue calentando comienza a aumentar su volumen.

• Durante el inverno los peces y otras especies acuáticas conservan la vida gracias a esas dilatación irregular.


• ¿Por qué se dice que el calor es energía en tránsito?

• ¿Cuándo se transfiere energía térmica entre los cuerpos?

• ¿Qué determina la cantidad de energía interna de los cuerpos?

• Describe cada una de las tres formas en que se propaga el calor.

• Explica cuales son las unidades utilizadas para medir el calor.

• Escribe a qué se debe la dilatación de los cuerpos y cómo es la dilatación de los gases comparada con la de los líquidos y sólidos.

• Define el concepto de dilatación lineal y de coeficiente de dilatación lineal.

• Expresa los conceptos de dilatación cúbica y de coeficiente de dilatación cúbica.

• ¿Qué se entiende por dilatación irregular del agua y cómo beneficia este fenómeno a la vida de peces y otras formas acuáticas durante el invierno?


• Explica por qué un líquido entra en ebullición• ¿Cómo se define el coeficiente de solubilidad de una sustancia en

otra?• ¿Qué se entiende por fluido?• Explica qué es viscosidad• Explica qué es tensión superficial• Explica qué es cohesión• Explica qué es adherencia• Explica qué es capilaridad• Define el concepto, la fórmula y las unidades de peso específico.• ¿Cuál es el concepto de presión? Escribe también su fórmula y

unidades

Bibliografía

• Pérez Montiel, Héctor. Física 2 para Bachillerato General. México, Publicaciones Cultural, 2004.

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