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Física y Química

2 Física y Química

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Física y Química

Presentación Este material, dirigido a los alumnos que cursan la materia de Física y Química en 2.º curso de ESO, tiene como objetivo principal facilitar la adquisición de los contenidos y el desarrollo de las competencias en el ámbito de esta materia. Este material lo configuran los temas correspondientes a los bloques de contenidos de Actividad científica, Materia, La materia por dentro, Cambios de la materia, Movimientos, Fuerzas y Energía. En el desarrollo de cada tema se abordan los contenidos fundamentales y se trabajan las competencias clave. Todos los bloques incorporan de forma muy sucinta una serie de contenidos, a los que les siguen actividades para resolver. De este modo, se favorece la consolidación de dichos contenidos. Cada bloque temático finaliza con una experimentación y/o investigación científica, una lectura científica acompañada de actividades y una sección para investigar con el ordenador.

Índice La actividad científica .......................................................................................... 4 El método científico ............................................................................................... 4 Magnitudes y unidades. El Sistema Internacional................................................... 4 La materia ............................................................................................................. 9 Propiedades de la materia ..................................................................................... 9 Estados de la materia ............................................................................................ 9 Clasificación de la materia ..................................................................................... 10 Disoluciones .......................................................................................................... 10 Separación de mezclas .......................................................................................... 10 La materia por dentro .......................................................................................... 16 Átomos ................................................................................................................. 16 Elementos químicos: la tabla periódica .................................................................. 16 Agrupaciones de átomos ...................................................................................... 16 Fórmulas químicas ................................................................................................. 17

Los cambios de la materia ................................................................................... 22 Reacciones químicas .............................................................................................. 22 Tipos de reacciones químicas ................................................................................. 22

Movimientos ......................................................................................................... 26 El movimiento ....................................................................................................... 26 Velocidad y aceleración ......................................................................................... 26 Tipos de movimientos ........................................................................................... 26 Fuerzas .................................................................................................................. 31 Concepto de fuerza ............................................................................................... 31 Máquinas simples .................................................................................................. 31 Fuerzas gravitatorias ............................................................................................. 32 Fuerzas eléctricas .................................................................................................. 32 Corriente eléctrica ................................................................................................. 32 Circuitos eléctricos ................................................................................................ 33 Magnetismo .......................................................................................................... 33 Energía .................................................................................................................. 40 Concepto de energía ............................................................................................. 40 Formas de energía ................................................................................................. 40 Fuentes de energía ................................................................................................ 41 Calor y temperatura .............................................................................................. 41 Propagación del calor ............................................................................................ 41

La actividad científica El método científico La ciencia es el conjunto de conocimientos y saberes contrastados que el ser humano posee sobre la naturaleza y la sociedad de las que forma parte.

El método científico es un procedimiento sistemático que permite estudiar un fenómeno observado y establecer los modelos y leyes por los que se rige.

Las fases del método científico son cuatro: 1. Observación

3. Experimentación

2. Formulación de hipótesis

4. Elaboración de conclusiones

El laboratorio es el lugar donde se realizan las experiencias propias del método científico. Está equipado con instalaciones, instrumentos y materiales adecuados para llevar a cabo experimentos.

En el laboratorio deben seguirse unas normas de seguridad para que el uso de las instalaciones y aparatos sea el correcto.

El registro de una investigación se recoge en el informe científico.

Magnitudes y unidades. El Sistema Internacional Una magnitud es toda aquella propiedad de un sistema que puede ser medida.

La medida es el proceso mediante el cual es posible obtener información cuantitativa fiable sobre un fenómeno objeto de estudio. La unidad de medida es la cantidad que se toma como referencia para comparar con ella otras cantidades de la misma magnitud.

El sistema de unidades utilizado por los científicos es el Sistema Internacional (SI).

La actividad científica

Magnitud básicas del SI

Unidad

Símbolo

Longitud

metro

Masa

kilogramo

Tiempo

segundo

amperio

Temperatura

Intensidad de corriente

kelvin

Intensidad luminosa

candela

Cantidad de sustancia

mol

Actividades 1 Responde brevemente en tu cuaderno a las siguientes cuestiones: a) ¿Qué se entiende por ciencia? b) Enumera las cuatro fases del método científico. c) ¿Dónde se lleva a cabo la experimentación?

2 Indica estas afirmaciones son verdaderas o falsas, y, en su caso, corrige estas últimas: a) La medida es muy importante en el método científico. b) Una hipótesis es siempre correcta. c) El laboratorio es un lugar muy peligroso. d) Experimentar es realizar una observación en condiciones controladas.

3 Explica qué significa esta afirmación:

«Las teorías científicas pueden modificarse de acuerdo con los resultados que se obtienen de los experimentos.» 4 En el laboratorio se ha medido la temperatura (T) de un sistema material en diferentes tiempos (t). Los resultados anotados son los siguientes:

T (ºC) 10 12 14 16 18 20 26

t (min) 0 1 2 3 4 5 8

a) Representa en una gráfica los datos de la tabla, situando el tiempo en el eje horizontal (abscisas). b) ¿Qué temperatura se medirá a los 10 minutos? Utiliza la gráfica para responder.

5 Durante un experimento se obtiene un sólido marrón, cuya masa queremos conocer. a) ¿Qué instrumento de medida utilizaremos? b) ¿En qué unidad del SI medimos la masa? ¿Se trata de una magnitud básica o derivada?

6 Detalla en tu cuaderno qué unidades de longitud emplearías para expresar estas medidas. a) Distancia entre Madrid y Sevilla

c) Tamaño de una bacteria

b) Altura de un edificio

d) Longitud de un cuaderno

7 ¿A qué magnitud se refieren estas cantidades? Fíjate en las unidades. a) 50 m2

c) 20 km

e) 10 kg

b) 8 L

d) 30 s

f) 4 cm3

8 Ordena de mayor a menor estas longitudes: 3 m, 8 mm, 100 mm y 0,5 km. La actividad científica

9 Calcula el volumen en cm3 de la caja que aparece en la ilustración. Sabiendo que un litro equivale a un dm3, ¿cuál será la capacidad en litros de la caja? 10 ¿Cuál es el volumen de aire que se puede alojar en una habitación cuyas dimensiones son de 4 × 2 × 3 m? 11 Calcula la superficie de una puerta que tiene 2 m de altura por 70 cm de ancho y la de un tablero de ajedrez de 50 cm de lado. Expresa ambas medidas en la unidad de superficie del SI. 12 Un embalse tiene una capacidad de 850 dam3. Si se encuentra al 60 % de su capacidad, ¿cuántos metros cúbicos almacena? 13 Sabiendo que la escala del vaso de la ilustración mide en mL, calcula el volumen de la piedra. Exprésalo en dm3. 14 Observa estos tres instrumentos de medida. ¿Qué magnitud mide cada uno? ¿Qué unidades de medida utilizan?

15 Escribe en tu cuaderno la magnitud que mide cada uno de estos aparatos: a) Cronómetro

b) Pipeta graduada

c) Balanza

d) Cinta métrica

16 Describe qué harías para medir: a) La masa de un trozo de madera

b) El volumen de un líquido

c) La longitud de un salto

17 En el laboratorio de Química se hace uso de material diverso. ¿Para qué sirven estos que se relacionan? Consulta tu libro o Internet. a) Vaso de precipitados

b) Tubos de ensayo

c) Frasco lavador

18 ¿Son correctas estas afirmaciones? Explícalo. a) Un buen aparato de medida debe ser exacto. b) La medida de una magnitud siempre tiene un cierto error. c) En un instrumento de medida, la precisión y la exactitud son lo mismo.

La actividad científica

d) Matraz aforado

Para experimentar Construye un barómetro El barómetro es un instrumento que suele utilizarse en las estaciones meteorológicas. Sirve para medir la presión atmosférica, es decir, el peso por unidad de superficie de la atmósfera situada por encima de nosotros. Con el barómetro que vas a construir, podrás predecir el tiempo meteorológico de una forma sencilla: las altas presiones se corresponden con un anticiclón, caracterizado por la ausencia de precipitaciones; en cambio, las bajas presiones revelan la presencia de una borrasca, acompañada de tormentas y precipitaciones.

Material necesario • Un vaso o bote de cristal (con la boca lo más grande posible) • Un globo de plástico grande • Una pajita (cuanto más larga, más exacta será la medida) • Una goma elástica • Tijeras • Pegamento • Una cartulina

Procedimiento 1 Antes de empezar, infla y desinfla el globo de plástico para que se estire bien. Al haber perdido parte de su resistencia elástica, será más sensible a las pequeñas variaciones de presión. 2 Recorta con las tijeras la mitad superior del globo (la parte ancha). 3 Tapa la boca del vaso con el trozo de globo que has recortado. Rodéalo con la goma elástica para asegurarlo. 4 Corta de forma oblicua los extremos de la pajita. Pega un extremo de la pajita en el centro de la tapa que has fabricado con el globo. 5 Fija la cartulina sobre la pared y sitúa el barómetro de tal forma que el extremo libre de la pajita quede frente a la cartulina, sin llegar a tocarla. 6 Marca a qué altura de la cartulina se sitúa el extremo de la pajita y, tras mirar por la ventana, anota el tiempo que hace.

Explicación Si el día es soleado y sin nubes, las altas presiones tensan el plástico haciendo que el extremo de la pajita, por efecto palanca, quede en la parte superior de la cartulina. Cuando va a llegar una borrasca, el indicador de la presión va bajando, y la marca que deja la pajita sobre la cartulina queda más abajo.

La actividad científica

Practica la lectura científica

El paso del tiempo es algo que todos podemos percibir con facilidad, pues continuamente observamos cambios en el entorno y en nuestro propio cuerpo. Por eso mismo, medir esta magnitud es, para el ser humano, algo tan necesario como antiguo. La forma más sencilla de medir el tiempo consiste en ligarlo a fenómenos periódicos como, por ejemplo, la sucesión de los días y las noches; esta debió de ser la forma utilizada por nuestros antepasados más remotos. Se sabe que los primeros relojes —los de sol— ya se empleaban en el antiguo Egipto, hace más de 3 000 años. Este tipo de relojes adquirió un gran desarrollo y su uso se prolongó durante siglos, coexistiendo con los relojes de agua, los de arena e incluso con los primeros relojes mecánicos. Los relojes mecánicos se inventaron en Europa durante la Edad Media, aunque es prácticamente imposible establecer la fecha y el lugar concretos de su invención. A partir de entonces, aparecerían los primeros relojes de torre: el de la catedral de Barcelona y el de la catedral de Sevilla datan de finales del siglo xiv. La complejidad y perfección técnica de los relojes aumentó en los siglos posteriores, a la par que se reducía su tamaño. Fueron añadidas ruedas dentadas, muelles y péndulos a su mecanismo y, en países como Suiza, Alemania y Holanda, surgió una potente industria relojera que permanece todavía en nuestros días. Los relojes eléctricos, que incorporan pilas, irrumpieron en el siglo xix. La precisión de los relojes también ha aumentado de forma exponencial. Hoy en día disponemos de relojes de alta precisión. Es el caso del reloj de cuarzo, inventado en 1930, que se incorporó a los modelos de pulsera en la década de 1960. Pero incluso este ha sido ya superado por el reloj atómico, basado en la emisión de ondas electromagnéticas provocadas por el cambio de un estado de energía a otro de los átomos.

19 ¿Qué tipos de relojes se han inventado a lo largo de la historia? Elabora una línea del tiempo donde representes el desarrollo de este importante instrumento de medida. 20 ¿Dónde se desarrolló una potente industria relojera? 21 ¿Cómo funciona un reloj de arena? ¿Qué piensas de su exactitud?

Trabaja con el ordenador Más información en internet Repasa qué es la notación científica y aprende cuándo es deseable utilizarla y cómo se introduce en la calculadora un número expresado de esta forma. https://proyectodescartes.org/uudd/materiales_didacticos/UD_Potencias10_Nanoparticulas_cosmos-JS/notacion_cientifica.htm

La actividad científica

La materia Propiedades de la materia Materia es todo aquello que ocupa un volumen en el espacio y tiene masa. Las propiedades de la materia se clasifican en: • Generales: son comunes a toda la materia y, por tanto, no permiten distinguir una clase de materia de otra. Por ejemplo, la masa, el volumen o la temperatura. • Características: son las propiedades que permiten diferenciar unos materiales de otros. Por ejemplo, el color, la dureza, la forma, el sabor o la elasticidad.

Estados de la materia La materia se puede presentar en tres estados de agregación: sólido, líquido o gaseoso. • Los sólidos mantienen su forma y su volumen, ya que las partículas que los componen se sitúan en posiciones fijas. • Los líquidos no conservan la forma pero sí el volumen, pues sus partículas pueden deslizarse y cambiar de posición, aunque sin perder el contacto. • Los gases no presentan forma ni volumen fijos, debido a que sus partículas se encuentran muy separadas y en continuo movimiento.

Sólido

Líquido

Gas

Los cambios de estado –que son procesos físicos, en los cuales no cambia la naturaleza de las sustancias– se producen al calentar o enfriar el sistema por encima o por debajo de una determinada temperatura. Existen seis cambios de estado posibles: Sublimación inversa Solidificación

Sólido

Condensación

Líquido

Fusión

Gas

Vaporización Sublimación La materia

Clasificación de la materia La materia se clasifica en: • Sustancias puras: son aquellas que no pueden dar lugar a otras sustancias mediante procedimientos físicos. Se clasifican a su vez en elementos y compuestos. • Mezclas: están formadas por varias sustancias.

– Mezclas heterogéneas, en las cuales pueden distinguirse sus componentes. –M ezclas homogéneas o disoluciones, en las que es imposible distinguir sus componentes.

Disoluciones Las disoluciones son mezclas homogéneas. Se denominan solutos las sustancias presentes en menor cantidad y disolvente, a la que está en mayor cantidad. La concentración de una disolución (C) expresa la cantidad de soluto en un cierto volumen de disolución. Puede calcularse en gramos por litro (g/L): C=

masa soluto (g) volumen disolución (L)

Según la proporción de soluto que contienen, las disoluciones se clasifican en: • Diluidas: contienen muy poca cantidad de soluto con relación al volumen total de la disolución. • Concentradas: la cantidad de soluto es alta en proporción a la del disolvente. • Saturadas: no pueden admitir más soluto, de modo que, si se añade más, este no llega a disolverse.

Separación de mezclas Para separar una mezcla, se utilizan procedimientos físicos basados en las distintas propiedades de las sustancias que componen dicha mezcla: temperatura de ebullición, densidad, estado de agregación, etc. Para mezclas heterogéneas, suelen utilizarse estos procedimientos: • La filtración, para separar un sólido de un líquido, y el tamizado, para separar sólidos en función del distinto tamaño de las partículas. • La decantación, para separar líquidos inmiscibles en función de su densidad.

Para mezclas homogéneas, se usan estos otros: • La cristalización, para separar un sólido disuelto en un líquido. • La destilación, para separar líquidos en función de su punto de ebullición.

La materia

Actividades 22 Explica por qué los minerales, las plantas, los animales y el aire son todos ellos materia. 23 Si se tapa la salida de una jeringuilla, es imposible seguir bajando el émbolo. ¿Qué viene a demostrar este experimento en relación a las propiedades de los líquidos? 24 Clasifica las siguientes propiedades de la materia en generales o características: a) Volumen

d) Dureza

b) Conductividad térmica

e) Densidad

c) Temperatura

f) Punto de ebullición

25 ¿Verdadero o falso? Consulta si es necesario en libros o en Internet. a) La capacidad de un cuerpo para ser modelado en láminas se conoce como maleabilidad. b) La ductilidad es la facilidad que posee un sólido para romperse por un impacto. c) La fragilidad es la resistencia de un sólido a ser rayado por otro. d) La capacidad de un cuerpo para recuperar su forma después de ser sometido a un esfuerzo es la elasticidad. e) La capacidad de un sólido para ser estirado en hilos sin romperse es la maleabilidad.

26 ¿Qué propiedades mecánicas observas en las imágenes? A

27 Cita alguna propiedad por la que el cobre es utilizado para fabricar cables eléctricos. 28 ¿Por qué crees que se utiliza lana en la confección de prendas de abrigo? Explícalo. 29 ¿Qué sustancia dura y transparente sirve para fabricar ventanas y lentes ópticas? 30 Observa las ilustraciones y contesta en tu cuaderno: a) ¿Qué estado de la materia distingues en cada paso? b) ¿Cómo se llama el cambio de estado que tiene lugar entre los pasos 1 y 2? ¿Y entre los pasos 2 y 3? c) ¿Por qué se producen estos cambios de estado?

d) ¿Qué sucede con las partículas de una sustancia cuando se incrementa su temperatura? La materia

31 ¿Cómo se llama el proceso por el que un líquido se convierte en gas? ¿Y en sólido? 32 Observa la gráfica y contesta a las preguntas: a) ¿En qué tramo de la gráfica se produce la fusión? b) ¿En cuál se produce la vaporización? c) ¿Varía la temperatura mientras se están produciendo los cambios de estado?

33 Contesta en qué estado de agregación se halla la materia en cada caso: a) En un recipiente abierto, se difunde rápidamente al exterior. b) Al pasar de un recipiente a otro, cambia de forma. c) Aunque se le aplique presión, su volumen no disminuye.

34 ¿Qué son las sustancias puras? ¿Cómo se clasifican a su vez? 35 ¿Qué es una mezcla? ¿Cómo pueden ser las mezclas de dos o más sustancias? 36 Clasifica en tu cuaderno las siguientes sustancias según sean puras o mezclas: a) Gasolina

d) Aire

g) Hierro

b) Agua de mar

e) Arena

h) Oxígeno

c) Metano

f) Madera

i) Barro

37 Señala en tu cuaderno si las siguientes mezclas son homogéneas o heterogéneas: a) Ensalada mixta b) Leche c) Café solo d) Conglomerado

38 ¿Cómo se llama el agua que podemos beber? Además de agua, ¿qué contiene el agua que solemos beber? 39 El propano es un gas formado por carbono e hidrógeno. Posee un punto de fusión de –187,7 ºC y un punto de ebullición de – 42,1 ºC. ¿De qué tipo de sustancia se trata? ¿Por qué? 40 ¿Qué diferencia hay entre una disolución y una sustancia pura? ¿Se parecen en algo? 41 Investiga e indica el soluto y el disolvente de cada una de estas disoluciones: a) Agua con gas

La materia

b) Agua del mar

c) Acero

42 Responde a las siguientes cuestiones: a) ¿Qué nombre recibe el componente más abundante de una disolución? b) ¿Cuántos disolventes puede haber en una disolución? c) ¿Cómo se denominan los componentes minoritarios de una disolución? d) ¿Puede una disolución contener más de un soluto?

43 A Jorge le gusta la leche con mucho azúcar. ¿Cómo podría disolver mayor cantidad de azúcar, en la leche fría o cuando está caliente? 44 Se tienen 2 L de una disolución de agua con azúcar cuya concentración es de 20 g/L: a) ¿Cuál es el disolvente? b) ¿Qué cantidad de soluto hay en cada litro de disolución? c) ¿Qué cantidad de soluto hay en 2 L de disolución? d) Si calentamos la disolución hasta que se evapore toda el agua, ¿cuánto azúcar obtendremos?

45 El suero fisiológico contiene 9 g/L de cloruro sódico. ¿Cuántos gramos de cloruro sódico tendremos que añadir al agua para preparar 500 mL de suero? 46 Calcula la cantidad de sal que contendrán 250 cm3 de disolución de agua y sal común si la concentración es de 15 g/L. Recuerda que 1 cm3 = 1 mL. 47 Indica la técnica que se debe utilizar para separar: a) Arena y piedras

c) Sal y agua

b) Alcohol y agua

d) Aceite y agua

48 ¿Qué diferencia hay entre filtrar y tamizar? Explícalo con ejemplos. 49 ¿Qué técnica consiste en dejar reposar la mezcla de modo que el líquido más denso quede en el fondo, separándose así del menos denso, que queda por encima? 50 Describe, brevemente, qué mezclas podríamos separar mediante filtración con papel. 51 Observa la ilustración y responde a las preguntas.

a) ¿De qué técnica de separación se trata? b) ¿Qué sustancias permite separar? ¿En qué se basa?

c) ¿Dónde se produce la vaporización? d) ¿En qué parte tiene lugar la condensación?

La materia

Para experimentar Estados de la materia Con este experimento, vas a llevar a cabo algunos de los cambios de estado de la materia. Concretamente, observarás los procesos de solidificación, fusión, evaporación y condensación que sufre el agua al enfriarla y calentarla sucesivamente.

Material necesario • Utensilios e instalaciones de cocina • Agua • Una cubitera • Una cazuela con tapa Cuenta con la ayuda de un adulto para realizar este experimento.

Procedimiento 1 Solidificación: paso de líquido a sólido. Llena de agua la cubitera y métela en el congelador. Abre de vez en cuando la puerta para observar cómo se va solidificando el agua. Con el frío, el agua se endurece hasta convertirse en hielo. 2 Fusión: paso de sólido a líquido.

Extrae la cubitera del congelador y vierte los cubitos de hielo en la cazuela. Observa cómo, al calentar la cazuela, el hielo se derrite y el agua regresa al estado líquido. 3 Vaporización: paso de líquido a gas.

Una vez fundido todo el hielo, sigue calentando el agua líquida. Observa cómo hierve cuando alcanza su punto de ebullición (100 ºC). El agua en estado líquido pasa entonces a estado gaseoso, que escapa de la cazuela en forma de vapor de agua. 4 Condensación: paso de gas a líquido.

Ahora tapa la cazuela. Observa cómo el vapor se condensa formando gotitas de agua en el interior de la tapa, al hallarse esta más fría. El agua en estado gaseoso ha vuelto al estado líquido.

La materia

Practica la lectura científica

Cuando se habla de los estados de agregación de la materia, casi todo el mundo piensa en sólidos, líquidos y gases. Sin embargo, estos tres estados apenas constituyen el 1 % del total de la materia que, a día de hoy, sabemos que contiene el universo. La mayoría de la materia del cosmos se encuentra en un estado denominado plasma, que no es ni sólido, ni líquido, ni gas. De plasma están hechos los cuerpos que acumulan la mayor cantidad de masa del universo: las estrellas. Pero ¿qué es exactamente el plasma? El plasma está constituido por átomos con carga eléctrica positiva (cationes), electrones y neutrones. Se trata, pues, de un puñado de partículas que se mueven sin orden aparente. El Sol es un plasma gigantesco, lleno de átomos de hidrógeno y helio que han perdido total o parcialmente sus electrones como consecuencia de las elevadísimas temperaturas que se generan, de hasta 15 millones de grados centígrados. El plasma conduce la corriente eléctrica, una característica que el ser humano ha aprovechado para desarrollar aplicaciones relacionadas con la producción de energía eléctrica, como las lámparas y tubos fluorescentes, o los carteles de neón. Pero lo que ha hecho realmente famoso al plasma son las «televisiones de plasma».

52 ¿Qué es el plasma? 53 ¿Por qué se dice en el texto que es el estado de la materia más común en el universo? 54 ¿Qué aplicaciones tiene el plasma para el ser humano?

Trabaja con el ordenador 55 ¿Qué propiedades caracterizan al vidrio? Piensa en algunos objetos fabricados en este material tan común. 56 Busca la información necesaria en Internet y resume en un breve párrafo cómo se obtiene el vidrio, comenzando por la materia prima utilizada. 57 ¿Qué ventajas tiene el reciclaje del vidrio? ¿En qué contenedor se depositan los envases de vidrio? Más información en internet El vidrio tiene infinitas vidas. Completa tu información acerca de esta importante cuestión del reciclaje del vidrio en la siguiente dirección: http://www.ecovidrio.es/reciclado/no-tengas-dudas La materia

La materia por dentro Átomos La materia está constituida por unas pequeñas partículas llamadas átomos. Los átomos constan un pequeño núcleo central, donde se encuentran los protones y neutrones, y una corteza, formada por varias capas, en la que se sitúan los electrones. Cada átomo se caracteriza por su número atómico (Z) y su número másico (A). • El número atómico es el número de protones del núcleo, que coincide con el de electrones, ya que el átomo es neutro. • El número másico es igual a la suma del número de protones y de neutrones del núcleo del átomo. Coincide con la masa de átomo, expresada en unidades de masa atómica (u).

Elementos químicos: la tabla periódica Las sustancias puras formadas por un solo tipo de átomos se denominan elementos químicos.

Cada elemento químico se identifica con un nombre, un símbolo y su número atómico, que se corresponde con el número de protones que tiene en su núcleo cada átomo de ese elemento.

Los elementos químicos se ordenan en orden creciente de sus números atómicos, situando en la misma columna aquellos con propiedades similares. Esta disposición se conoce como tabla periódica. La tabla periódica contiene 118 elementos, que se distribuyen en: • 7 filas, llamadas períodos. • 18 columnas, llamadas grupos o familias. Algunos ejemplos son los metales alcalinos (grupo 1) o los gases nobles (grupo 18).

La mayoría de estos elementos son metales. Se caracterizan por una serie de propiedades: • Poseen un brillo característico, denominado brillo metálico. • Son buenos conductores de la electricidad y el calor. • Suelen ser densos y duros y tener altos puntos de fusión. • Se combinan con los no metales.

Agrupaciones de átomos Los átomos se unen para ganar estabilidad y pueden formar diversas agrupaciones: • Moléculas: son agrupaciones independientes y estables de varios átomos, iguales o distintos. Pueden contener desde dos átomos (diatómicas) hasta miles (macromoléculas). • Cristales: son sólidos con forma geométrica, debido a la ordenación interna de los átomos, que forman una red tridimensional.

La materia por dentro

Fórmulas químicas Una fórmula química representa un compuesto químico, es decir, una sustancia pura formada por átomos diferentes.

En una fórmula, aparecen símbolos y números: Símbolos químicos: para indicar las clases de átomos que forman el compuesto. Este compuesto está formado por azufre y oxígeno.

SO2 Subíndices: para indicar el número de átomos de cada elemento. Cuando hay solo uno, no aparece.

La fórmula de un compuesto nos indica la proporción relativa en la que se encuentran los átomos de cada elemento en el compuesto. Si está formado por moléculas, la fórmula indica cuántos átomos forman dicha molécula; si es un cristal, solo nos informa de la proporción de átomos de cada tipo.

SO2 → Este compuesto está formado por moléculas triatómicas, de dos átomos de oxígeno (O) y un átomo de azufre (S).

Para nombrar y formular los compuestos químicos, se utilizan unas reglas establecidas, distinguiendo diferentes tipos según su composición. Por ejemplo: • Óxidos: formados por oxígeno y otro elemento. • Hidruros: formados por hidrógeno y otro elemento. • Sales binarias: formadas por un metal y un no metal, distinto del hidrógeno y el oxígeno.

Actividades 58 Describe el tipo de partículas que se encuentran dentro del átomo y señala cómo se distribuyen entre el núcleo atómico y la corteza. 59 Razona si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas: a) Los átomos están formados por partículas y son eléctricamente neutros. b) John Dalton introdujo la idea de que la materia estaba formada por partículas muy pequeñas e indivisibles, a las que llamó átomos. c) Hay más clases de átomos que de elementos químicos. d) Los distintos tipos de átomos se diferencian entre sí por su masa. La materia por dentro

60 ¿Qué son el número atómico y el número másico? ¿Con qué características del átomo se relaciona cada uno de ellos? 61 Corrige los siguientes enunciados en tu cuaderno. a) El número atómico es el número de electrones de un átomo. b) Los átomos de un mismo elemento pueden tener diferente número de protones. c) El número másico es el número de neutrones que tiene un átomo en su núcleo. d) Los átomos del mismo elemento son todos iguales. e) Un átomo de nitrógeno para el cual Z = 7 y A = 15 tiene 7 u de masa atómica y 15 protones en su núcleo. f) Los átomos neutros carecen de protones y de electrones, solo tienen neutrones. g) Un átomo debe tener el mismo número de protones que de neutrones. h) La corteza del átomo concentra casi toda su masa.

62 Si el número másico de un átomo es 19 y su número atómico es 9, ¿cuántos electrones y protones tiene? ¿Y cuántos neutrones? 63 El número atómico del litio es 3 y su número másico es 7. ¿Cuántos protones y neutrones hay en el núcleo? ¿Cuántos electrones hay en la corteza? 64 Indica cuántos protones, electrones y neutrones componen los siguientes átomos: a) Oxígeno (Z = 8; A = 16)

b) Cloro (Z = 17; A = 36)

c) Nitrógeno (Z = 7; A = 14)

65 Escribe en tu cuaderno el símbolo de cada uno de estos elementos químicos. Busca en la tabla periódica a qué grupo pertenecen. a) Boro

c) Nitrógeno

e) Flúor

b) Carbono

d) Oxígeno

f) Neón

66 Responde a estas cuestiones sobre la tabla periódica: a) ¿Cuántos elementos químicos contiene? b) ¿Cuántos grupos y períodos la forman? c) ¿Qué tienen en común los elementos químicos de un mismo grupo? d) ¿A qué grupo y período pertenece el aluminio?

67 La mayoría de los elementos químicos son metales. a) ¿Qué propiedades caracterizan a este tipo de elementos? b) El cobre es un metal. Explica qué propiedades características posee.

La materia por dentro

68 Los átomos se agrupan, ganando estabilidad. a) ¿Qué es una molécula? ¿Sería correcto decir que siempre están formadas por pocos átomos? b) ¿Qué diferencias hay entre una molécula y un cristal?

69 Observa las ilustraciones y responde razonadamente: a) ¿Qué átomos forman las dos moléculas? b) La molécula de peróxido de hidrógeno está formada por el mismo número de átomos de oxígeno y de hidrógeno. ¿Cuál es de las dos? c) ¿Cómo se interpreta la fórmula del agua, H2O?

70 Observa la representación de estas moléculas:

Oxígeno

Metano

Agua

a) Indica el número de átomos de cada clase que forman cada sustancia. b) Utiliza los símbolos y los subíndices para escribir las fórmulas.

71 Utilizando el anexo de nomenclatura y formulación de tu libro de Física y Química, nombra los siguientes compuestos químicos: a) Fe2S3

d) PbO2

g) HF

b) Al2O3

e) MgO

h) BeH2

c) CaCl2

f) LiBr

i) K2S

72 Los compuestos se clasifican según su composición. Fíjate en las fórmulas del ejercicio anterior y contesta: a) ¿Cuáles son óxidos? Enuméralos. b) ¿Hay algún hidruro? En caso afirmativo, indícalos. c) ¿Cuáles corresponden a sales binarias?

73 Formula, con ayuda del anexo de nomenclatura y formulación de tu libro de Física y Química, los siguientes compuestos: a) Trihidruro de aluminio

d) Óxido de hierro(III)

g) Amoníaco

b) Óxido de disodio

e) Sulfuro de dihidrógeno

h) Cloruro de sodio

c) Bromuro de manganeso(II)

f) Óxido de diplata

i) Hidruro de potasio La materia por dentro

Para experimentar Metales y no metales En esta experiencia vas a poder comprobar algunas de las propiedades de los metales, que los diferencian de los no metales. Estas propiedades son características de este tipo de elementos, que son mayoritarios en la tabla periódica. Puedes investigar algo más sobre las sustancias metálicas que aparecen en este experimento (el cobre y el acero) en libros o en Internet.

Material necesario • Cables eléctricos y tijera. • Pila y una bombilla pequeña o led. • Vaso de vidrio. • Paleta de cocina de teflón y paleta de cocina metálica. • Olla pequeña, agua y placa de cocina. Cuenta con la ayuda de un adulto para realizar este experimento.

Procedimiento 1 Brillo metálico: Extrae los hilos de cobre que hay dentro de los cables eléctricos, cortando la cubierta de plástico. Observa el aspecto de uno de estos hilos y también de la paleta metálica de cocina. Ambos objetos muestran un brillo intenso, característico de los metales. Compáralo con el brillo del vidrio del vaso, que no es una sustancia metálica. 3 Conductividad eléctrica:

Toma un par de hilos de cobre. Conecta con un hilo un polo de la pila con la bombilla o el led. Conecta con el segundo hilo la bombilla o el led con el otro polo de la pila. ¿Se enciende? ¿Por qué?

Repite el montaje usando dos tiras de la cubierta de plástico de los cables. ¿Qué sucede en este caso? ¿Cómo puedes explicar la diferencia? 3 Conductividad térmica:

Llena la olla con agua hasta la mitad aproximadamente y caliéntala hasta que desprenda vapor; no es necesario que hierva, solo que esté caliente. Retira la olla de la placa y coloca las dos paletas de cocina –de teflón y metálica– dentro del agua durante unos minutos.

Al cabo de este tiempo, agarra la paleta de teflón para sacarla de la olla. ¿Se ha calentado? ¿Cómo lo explicas?

Con cuidado, haciendo uso de un trapo o agarradera, haz lo mismo con la paleta metálica. ¿Qué observas? ¿Por qué crees que es diferente en el caso de la paleta metálica?

La materia por dentro

Practica la lectura científica

Los avances en el conocimiento del átomo se han sucedido a lo largo del tiempo. El filósofo griego Demócrito (460 a. C.-370 a. C.) fue el primero en afirmar que la materia estaba compuesta por átomos y que estos eran indivisibles. La idea cayó en el olvido, hasta que, en 1803, el británico John Dalton formuló su teoría atómica de la materia. En ella, Dalton sostenía –basándose ya en evidencias científicas– que todos los elementos conocidos estaban constituidos por átomos. A finales del siglo xix, en 1897, J. J. Thomson realizó un experimento que le permitió descubrir pequeñas partículas con carga negativa, a las que llamó electrones. El átomo ya no era indivisible, como Dalton pensaba. A medida que la tecnología fue avanzando, el estudio del átomo se abrió camino con nuevas aportaciones. Así, en 1911, ya se conocía el protón y Ernest Rutherford propuso un modelo nuevo para explicar la estructura del átomo. Según el científico neozelandés, los electrones giraban alrededor del núcleo como si el conjunto fuera un sistema solar en miniatura. Esta teoría se mantuvo hasta 1913, fecha en la que Niels Bohr propuso una nueva teoría según la cual los electrones giraban alrededor del núcleo, pero solo en órbitas permitidas. Esta explicación todavía no era la definitiva, pero sirvió como base para las teorías actuales sobre el átomo. La última de las partículas subatómicas aún se hizo esperar. Por fin, en 1932, James Chadwick descubrió el neutrón, partícula sin carga eléctrica situada en el núcleo del átomo, junto con los protones. Como ves, el conocimiento que tenemos en la actualidad sobre el átomo es fruto de un largo camino de estudio e investigación.

74 Elabora una línea del tiempo que incluya los avances decisivos en el estudio del átomo que se mencionan en la lectura, quiénes los realizaron y en qué fechas.

Trabaja con el ordenador 75 Los isótopos son átomos de un mismo elemento que se diferencian en su número másico. Investiga cuáles son los isótopos del hidrógeno. Representa cada uno de ellos señalando su número de protones, neutrones y electrones. Más información en internet Consulta la información sobre la estructura del átomo y los modelos atómicos que se han sucedido a lo largo de la historia. http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/ materiales/atomo/modelos.htm La materia por dentro

Los cambios de la materia Reacciones químicas Un cambio químico es aquel en el que se altera la naturaleza de las sustancias, apareciendo otras nuevas.

Los cambios químicos también reciben el nombre de reacciones químicas. En una reacción química se produce una reordenación de los átomos que forman los compuestos: • Los reactivos: son los compuestos iniciales que hay antes del cambio químico. • Los productos: son las sustancias nuevas que se forman como resultado del cambio químico que tiene lugar.

Una reacción química se representa mediante una ecuación química. Esta incluye las fórmulas de los reactivos y de los productos, separadas por una flecha que indica el sentido de la transformación. El estado de agregación de las sustancias que intervienen se indica añadiendo símbolos detrás de cada fórmula: (s) = sólido, (l) = líquido, (g) = gas o (aq) = en disolución acuosa. Además, cada fórmula puede ir precedida de un número –el coeficiente estequiométrico–, que nos dice cuántas moléculas de cada tipo reaccionan o se producen. En ese caso, decimos que la ecuación está ajustada. 2 SO2 (g) + O2 (g) → 2 SO3 (g)

Nos dice que 2 moléculas de dióxido de azufre reaccionan con una molécula de oxígeno para dar dos moléculas de trióxido de azufre; todas las sustancias son gases.

Tipos de reacciones químicas Son innumerables las reacciones químicas que se conocen. Podemos clasificarlas según distintos criterios, uno de los cuales es el cambio que está teniendo lugar en la reacción. Así, podemos distinguir entre: • Reacciones de formación: son aquellas en las que se forma un compuesto a partir de sus elementos constituyentes. Por ejemplo: S + O2 → SO2 • Reacciones de descomposición: son aquellas en las cuales un único reactivo se transforma en varios productos. Un ejemplo es: 2 H2O2 → 2 H2O + O2 • Reacciones de combustión: en estas se produce la reacción entre un compuesto y el oxígeno, para dar como productos dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O). Por ejemplo: CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O

Existen muchas reacciones químicas de interés para el ser humano, ya sea por su utilidad, su extensión, su repercusión o por su peligrosidad. Algunas de ellas son: • Fotosíntesis • Corrosión de los metales • Digestión y respiración • Quema de combustibles • Formación de la lluvia ácida • Síntesis industrial

Los cambios de la materia

Actividades 76 ¿Cómo se distingue una reacción química o cambio químico de un cambio físico? Explícalo con un ejemplo. 77 ¿Cuáles de las siguientes transformaciones son cambios químicos? a) Una manzana cambia de color al cortarla y dejarla al aire. b) Se disuelve sal en agua. c) Al añadir un poco de bicarbonato de sodio a un vaso con agua, se produce una efervescencia. d) Al abrir una botella de agua con gas, se forman burbujas y el gas escapa. e) Se asa un filete sobre una plancha.

78 Ajusta en tu cuaderno las siguientes ecuaciones químicas. Recuerda que debe haber los mismos átomos de cada tipo en los reactivos y en los productos: a) H2 + O2 → H2O

d) N2 + O2 → NO

b) H2 + Cl2 → HCl

e) C + O2 → CO

c) N2 + H2 → NH3

f) H2SO4 + NaOH → Na2SO4 + H2O

79 La sal común es cloruro de sodio (NaCl). Se consigue, entre otras maneras, gracias a la evaporación de agua de mar. A partir de ella, se pueden obtener los elementos que la forman, sodio y cloro, según la ecuación química: NaCl (s) → Na (s) + Cl2 (g) a) ¿Qué tipo de reacción es? b) Ajusta la ecuación química e interpreta la información que nos proporciona.

80 El monóxido de nitrógeno (NO) es un contaminante atmosférico gaseoso que se puede eliminar haciéndolo reaccionar con el amoníaco (NH3), dando agua y nitrógeno, según la ecuación química: 4 NH3 + 6 NO → 5 N2 + 6 H2O a) ¿Está ajustada la ecuación química anterior? Compruébalo. b) Teniendo en cuenta que tanto los reactivos como los productos son gases, escribe la ecuación química completa e interprétala. c) ¿Qué ocurre con los átomos de hidrógeno del amoníaco durante esta reacción química?

81 Observa la siguiente ecuación química: 2 H2 (g) + O2 (g) → 2 H2O (l) a) ¿Qué tipo de reacción representa? ¿Por qué? b) ¿Se trata de una ecuación ajustada? Compruébalo. c) Un alumno ha escrito sobre esta reacción: «Cuando reaccionan ocho moléculas de hidrógeno con cuatro moléculas de oxígeno, se forman ocho moléculas de agua». ¿Te parece que es correcto? Explícalo. Los cambios de la materia

Para experimentar Construye un volcán Los volcanes se forman a consecuencia de una fisura en la corteza terrestre que, bajo ciertas condiciones, permite la salida del magma al exterior. El magma asciende dentro de los volcanes a través de unos conductos denominados chimeneas. Los materiales, fluidos o sólidos, que el volcán libera a altas temperaturas (entre 700 y 1 500 0C) reciben el nombre de lava. Cuando la lava se acumula y enfría, suele adquirir la forma característica de un cono. En nuestro experimento casero, vas a recrear la erupción de un volcán a través de una curiosa reacción química.

Materiales necesarios • Botella de plástico vacía de 33 cL • Taco grande de plastilina • Vinagre • Bicarbonato sódico • Pimentón u otro colorante • Jabón líquido • Agua • Gafas de protección ¡No es peligroso!, pero debes protegerte los ojos tal como se indica.

Procedimiento 1 Construye el cono volcánico. Para ello, coloca la botella de plástico en el centro de una superficie plana y modela a su alrededor las laderas con plastilina. Conviene que la pendiente no sea muy pronunciada para que la lava descienda lentamente. 2 Añade a la botella dos cucharadas de bicarbonato sódico, una cucharada de jabón líquido y una pizca de pimentón o de otro colorante (para obtener el color rojizo de la lava). Mezcla los ingredientes con una cuchara. 3 Ponte las gafas para proteger tus ojos de posibles salpicaduras. Añade un chorro de vinagre a la mezcla y retírate.

Explicación El vinagre es un ácido que reacciona con el bicarbonato sódico, que es una base. La reacción química que se produce libera una gran cantidad de gas de dióxido de carbono (CO2), lo que hace que la espuma roja se desborde como si fuera lava. 24

Los cambios de la materia

Practica la lectura científica

La conservación de los alimentos es un aspecto que ha preocupado a los seres humanos desde la antigüedad. Para conseguir que la comida se mantenga en buen estado, se emplean multitud de procedimientos, como la salazón, la curación, el ahumado, la deshidratación, el calentamiento, la congelación, el enlatado, la irradiación y la conservación química. La conservación química consiste en la adición de productos químicos que evitan que los alimentos se deterioren y que mejoran sus características químicas o biológicas, o cualidades físicas como el aspecto, el sabor, el olor o la consistencia. Muchos de estos aditivos alimentarios son, en realidad, compuestos que retardan o inhiben las reacciones químicas de descomposición, fermentación, oxidación o enranciamiento que se producen de manera natural. Las cantidades utilizadas deben estar dentro de los límites de tolerancia establecidos por la ley; de lo contrario, decimos que el alimento está adulterado. La legislación sobre aditivos alimentarios es muy estricta, ya que debe garantizar, ante todo, la salud de los consumidores.

82 ¿Por qué es importante disponer de buenos métodos de conservación de los alimentos? Enumera algunos de los que se nombran en el texto. 83 ¿Qué relación tiene la química con la conservación de los alimentos? Explica por qué se añaden aditivos a los alimentos. 84 La ley que regula el uso de los aditivos alimentarios es amplia y muy estricta en cuanto a sus tipos y cantidades. ¿Por qué crees que es así? ¿Es seguro el uso de estos aditivos?

Trabaja con el ordenador 85 Los aditivos alimentarios cuyo uso permite la legislación vigente se clasifican y nombran con un sistema denominado «números E». Investiga en qué consiste y anota el nombre de tres aditivos, junto con sus números E y las razones por las que se añaden a los alimentos. 86 Los productos cárnicos pueden sufrir deterioro por ataque bacteriano, haciendo extremadamente peligroso su consumo. Para evitar esto, se les añade un conservante. Investiga de qué conservante se trata. Más información en internet Además de los aditivos permitidos, hay otros prohibidos o desaconsejados. Podrás tener la información completa en este enlace: https://e-aditivos.com/ Los cambios de la materia

Movimientos El movimiento Decimos que un cuerpo está en movimiento cuando cambia de posición respecto a un punto de referencia fijo. En caso contrario, se encuentra en reposo.

Para describir el movimiento de un cuerpo, es preciso considerar algunas magnitudes y conceptos: • La posición del cuerpo o móvil: es el lugar que ocupa ese cuerpo con respecto al punto de referencia. Esta posición (x) se puede expresar como la distancia al punto de referencia. • La trayectoria: es la línea que une las sucesivas posiciones de un objeto en movimiento. • El desplazamiento: es la diferencia entre la posición final y la posición inicial. • El tiempo empleado (t).

Velocidad y aceleración La velocidad, v, es la distancia que recorre un móvil en la unidad de tiempo.

s – s0 t

La unidad de velocidad en el Sistema Internacional es el metro por segundo, m/s.

La aceleración, a, es el cambio de velocidad que experimenta un móvil en la unidad de tiempo.

v – v0 t

La unidad de aceleración en el Sistema Internacional es el metro por segundo al cuadrado, m/s2.

Tipos de movimientos Cuando la trayectoria de un móvil es recta, decimos que tiene un movimiento rectilíneo. Si, por el contrario, su trayectoria es curva, presenta un movimiento curvilíneo.

Los movimientos rectilíneos pueden ser de dos tipos: • Movimiento rectilíneo uniforme (mru): aquel cuya trayectoria es una línea recta con una velocidad constante. • Movimiento rectilíneo uniforme variado (mruv): aquel cuya trayectoria es una línea recta con una aceleración constante.

Movimientos

Actividades 87 Si observamos un rascacielos, ¿lo vemos en reposo o en movimiento? Si pudiéramos divisar ese rascacielos desde fuera de la Tierra, ¿cómo lo veríamos? ¿Por qué? Explica cuál sería nuestro punto de referencia en cada uno de los casos. 88 Imagina una carrera de Fórmula 1 e indica cómo percibirá cada persona el movimiento. a) El piloto que lidera la carrera, ¿verá al público que asiste a la competición quieto o en movimiento? b) El público, ¿verá a los pilotos en reposo o en movimiento? c) El piloto que va más lento, ¿percibe que los coches que lo adelantan están quietos o en movimiento?

89 Una persona se monta en su moto, que está aparcada delante de su casa, arranca y avanza durante tres minutos en línea recta 800 m. Contesta en tu cuaderno: a) ¿Qué punto de referencia podemos utilizar para describir el movimiento? b) ¿Cuál es el desplazamiento de la moto? c) ¿Cuánto tiempo ha tardado en recorrer esa distancia? d) Calcula la velocidad de la moto a partir de los datos anteriores.

90 Un vehículo arranca en el kilómetro 20 de una carretera y llega hasta un punto que se encuentra en el kilómetro 80. ¿Qué distancia total ha recorrido? ¿Habrá descrito un movimiento rectilíneo? 91 Observa la ilustración y responde en tu cuaderno a las cuestiones: a) Marca la trayectoria que ha seguido el coche para llegar del punto A al B. b) ¿Qué distancia ha recorrido? c) Si el coche recorre 16 km cada 12 minutos, ¿cuál será su velocidad en km/h? ¿Y en unidades del SI? d) ¿Qué distancia habrá recorrido 30 minutos después de salir del punto A? e) ¿Cuánto tiempo habrá tardado en llegar al punto B?

92 Un coche circula a una velocidad de 15 m/s y otro recorre 40 km en 30 minutos. ¿Cuál de los dos circula a mayor velocidad? Utiliza las mismas unidades para poder comparar ambas velocidades. 93 Un cuerpo móvil aumenta su velocidad de 28,8 km/h a 54 km/h en 4 segundos. a) Expresa los dos valores de velocidad en m/s. b) ¿Cuál ha sido la aceleración? Calcúlala.

Movimientos

94 ¿Cuál será la aceleración de una moto que, desde el reposo, emplea 5 segundos en alcanzar una velocidad de 15 m/s? 95 Un avión vuela a 830 km/h. ¿Qué distancia recorrerá en 20 minutos? Calcula los kilómetros que recorrerá en dos horas y media. 96 Una moto lleva una velocidad constante de 60 km/h. Explica si estas afirmaciones son verdaderas o falsas: a) Recorre 1 200 m cada minuto. b) Su aceleración es cero. c) Su movimiento es rectilíneo y uniforme.

97 Identifica qué tipo de movimiento se produce en las siguientes situaciones: a) Un tren, en el punto medio de su recorrido, mantiene una velocidad constante. b) Se da la salida de una carrera. c) Un coche frena para parar en un semáforo en rojo. d) Una maleta se mueve sobre una cinta transportadora.

98 El coche A parte del punto de referencia a una velocidad de 15 m/s; el coche B parte a una velocidad de 12 m/s desde una posición situada a 5 m por delante del punto de referencia. Si ambos salen a la vez y siguen la misma trayectoria recta, contesta: a) ¿En qué posición se encontrará cada coche a los 5 segundos? b) ¿Qué tiempo necesitará cada coche para situarse a 50 metros del punto de referencia? c) ¿Alcanzará el coche A al B? Razónalo.

99 Un coche circula durante 30 minutos a 40 km/h; después, durante la siguiente hora, se desplaza a 60 km/h; finalmente, durante 15 minutos, circula a 20 km/h. a) Calcula la distancia recorrida en cada tramo. b) Halla la distancia total y calcula, con esa distancia y el tiempo total invertido, cuál ha sido su velocidad media.

100 Una pelota que rueda por el suelo con una velocidad de 2 m/s tarda en detenerse 10 segundos. ¿Cuál es su aceleración de frenado? 101 Una partícula se desplaza con mru a una velocidad constante de 10 m/s. a) ¿Cuánto vale su aceleración? b) ¿Qué distancia habrá recorrido en 1 hora? c) ¿Cuál sería su velocidad, expresada en km/h?

Movimientos

Para experimentar Caída libre En este experimento vas a reproducir un movimiento rectilíneo uniformemente variado: la caída libre. Se trata de un movimiento con aceleración constante, en el cual la velocidad que adquiere el objeto que cae no depende de su masa.

Materiales necesarios • Dos cajas idénticas (para que tengan el mismo rozamiento). • Algún objeto pesado no frágil, como por ejemplo una piedra mediana. • Algún objeto ligero no frágil, como un trozo de tela o papel. • Cronómetro. • Dos hojas de papel iguales. • Cinta adhesiva para embalar.

Procedimiento 1 Coloca dentro de una de las cajas el objeto pesado y dentro de la otra el objeto ligero. Precinta ambas cajas para que no se salga el contenido al caer. 2 Sitúa las dos cajas a la misma altura, preferiblemente encima de una mesa o estantería alta. Deja caer las cajas y mide con el cronómetro el tiempo que tardan en llegar al suelo. ¿Cuál es tu conclusión? 3 Para observar el efecto del rozamiento con el aire sobre la caída de los cuerpos, deja caer desde la misma altura anterior una de las hojas de papel estirada y la otra arrugada en forma de bola, y compara el tiempo que tardan en llegar al suelo. ¿Cuál alcanza más velocidad y llega antes al suelo?

Explicación Como ambas cajas llegan a la vez al suelo, se puede concluir que la aceleración de los cuerpos en caída libre es independiente de su masa. ¿Por qué se pensó durante siglos entonces que caía más rápido el cuerpo más pesado? El experimento de las hojas de papel nos demuestra que el rozamiento del aire frena la caída de la hoja estirada; por eso, esta llega al suelo más tarde que la otra, pese a tener ambas idéntica masa. Estos experimentos recuerdan al realizado, en 1971, por el astronauta David Scott, que dejó caer un martillo y una pluma sobre la superficie de la Luna. Efectivamente, tal como predijo Galileo y calculó Newton, los dos objetos —pese a su diferencia de masas— llegaron a la superficie lunar al mismo tiempo.

Movimientos

Practica la lectura científica

Los estudios sobre el movimiento se remontan a tiempos lejanos. En la Edad Media, se había estudiado ya el movimiento que describía un proyectil lanzado desde un cañón. Sin embargo, fue Galileo Galilei, a finales del siglo xvi, quien fundó la cinemática, es decir, la ciencia que estudia los movimientos sin atender a las causas que los provocan. Las relaciones matemáticas empleadas en la cinemática tienen su origen en el trabajo de este matemático, físico y astrónomo, que aplicó por primera vez el método científico en sus investigaciones. Galileo tuvo el mérito de otorgar a la experimentación el importante papel que le corresponde como base del saber científico. Además, utilizó modelos de la realidad para explicar determinados aspectos de esta; en concreto, estudió la caída de los objetos sobre planos inclinados, extendiendo sus conclusiones a situaciones en las que no hay rozamiento (por ejemplo, la caída libre en el vacío, donde no hay aire y, por tanto, no existe rozamiento). La principal conclusión a la que llegó Galileo es que la velocidad de un objeto en caída libre no depende de su masa. El paso definitivo en la descripción de los movimientos y sus causas no tardaría mucho en llegar. A finales del siglo xvii, Isaac Newton sentó las bases para el desarrollo de la mecánica clásica. El genial físico inglés, sin embargo, no olvidó reconocer la influencia de Aristóteles, Galileo y muchos otros, al decir: «Si consigo ver más lejos, es porque he conseguido auparme a hombros de gigantes».

102 De acuerdo con el texto, ¿cuáles fueron las aportaciones de Galileo Galilei al estudio de la cinemática? 103 ¿Qué tipo de experimentos llevaba a cabo Galileo? ¿Cómo pudo llegar a la conclusión de que la velocidad de caída no dependía de la masa? 104 Explica qué quiso decir Newton con la frase que se le atribuye y que has podido leer en la lectura. ¿Quiénes son esos «gigantes» a los que se refirió?

Trabaja con el ordenador 105 Utiliza la red Internet para buscar datos sobre la velocidad máxima que pueden alcanzar animales como los grandes felinos, los cetáceos o las aves migratorias. Selecciona seis de estos animales y construye una tabla, en la que aparezcan los valores de velocidad correspondientes en km/h y en m/s. Más información en internet En este vídeo podrás visualizar algunos de los conceptos básicos sobre el movimiento que has estudiado en tu libro. https://www.lamanzanadenewton.com/materiales/fisica/lmn_fis_fch05.html

Movimientos

Fuerzas Concepto de fuerza Una fuerza es toda causa capaz de provocar cambios en el estado de reposo o movimiento de un cuerpo o de deformarlo. Para entender el efecto de una fuerza, hay que considerar no solo su valor, sino también la forma en que se aplica. Para ello utilizamos la representación mediante flechas o vectores: • La intensidad o módulo nos indica si una fuerza es grande o pequeña y coincide con la longitud de la flecha o vector. • El punto de aplicación es el sitio exacto donde se aplica la fuerza. Es el origen del vector. • La dirección es la recta sobre la que se sitúa el vector; el sentido viene dado por el extremo del vector.

Las fuerzas se miden con un instrumento llamado dinamómetro y su unidad de medida en el SI es el newton (N). Otras unidades son la dina y el kilopondio. Las equivalencias son: 1 N = 100 000 dina

1 kp = 9,8 N

Hay dos tipos de fuerzas: • Fuerzas de contacto, como las que ejercemos al empujar o sostener algún objeto o las fuerzas de rozamiento. • Fuerzas a distancia, que se ejercen entre cuerpos que no están en contacto. Por ejemplo, las fuerzas gravitatorias, eléctricas o magnéticas.

Máquinas simples Las máquinas simples son dispositivos mecánicos sencillos que facilitan la realización de diversas tareas mediante la aplicación de fuerzas. Algunas máquinas simples muy conocidas son las siguientes: • La palanca: es una máquina de amplio uso en el ámbito cotidiano, cuyos elementos son el punto de apoyo o fulcro, la potencia o fuerza aplicada y la resistencia o fuerza que realiza. • La ley de la palanca nos dice que el producto de la potencia por su distancia al punto de apoyo es igual al producto de la resistencia por su distancia a dicho punto: F1 · l1 = F2 · l2 • De acuerdo con la posición del punto de apoyo, la potencia y la resistencia, se distinguen tres tipos o géneros de palancas. Son palancas de primer género las tijeras o el balancín; de segundo género es, por ejemplo, el cascanueces. Por último, las pinzas son palancas de tercer género. • El plano inclinado: consiste en una rampa que nos permite elevar cargas pesadas por arrastre con poco esfuerzo. La fuerza necesaria es menor cuanto menor sea la inclinación del plano. • La polea: es una rueda acanalada por la que pasa una cuerda. La cuerda permite elevar objetos pesados aplicando de forma más cómoda la fuerza necesaria. Fuerzas

Fuerzas gravitatorias Las fuerzas gravitatorias son fuerzas a distancia entre objetos cualesquiera, debidas a sus masas. Son siempre fuerzas de atracción. Estas fuerzas son muy débiles y solo tienen un valor apreciable si los objetos tienen masa elevada. Este valor depende de varios factores: • Las masas de los objetos. La fuerza gravitatoria es directamente proporcional al producto de las masas de los dos objetos. • La distancia de separación. La fuerza gravitatoria es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que separa ambos objetos.

Un caso particular es la atracción que ejerce la masa de la Tierra sobre cada cuerpo situado en su superficie, que se denomina peso: P = m · g, donde g = 9,8 m/s2 es la aceleración de la gravedad.

Fuerzas eléctricas Las fuerzas eléctricas son fuerzas a distancia entre objetos producidas por la existencia de cargas eléctricas, las cuales pueden ser positivas o negativas. Son de atracción entre cargas de distinto signo y de repulsión, entre cargas del mismo signo. Las cargas eléctricas se originan por exceso o déficit de electrones en un material. Las fuerzas eléctricas son fuerzas de intensidad moderada, que depende de tres factores: • El valor de las cargas. La fuerza eléctrica es directamente proporcional al producto de las cargas. • La distancia de separación. Es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que separa las cargas. • El medio en que se encuentran las cargas.

Corriente eléctrica La corriente eléctrica consiste en el movimiento ordenado de cargas eléctricas a través de un material conductor. No todos los materiales conducen igual la corriente eléctrica. Podemos hablar de: • Materiales conductores: permiten el paso de la corriente eléctrica, como los metales. • Materiales aislantes: impiden el movimiento de las cargas eléctricas, como los plásticos o el vidrio.

Para producir corriente eléctrica, necesitamos un generador de corriente, que puede ser una pila o una batería. Estos dispositivos de uso cotidiano se basan en reacciones químicas que liberan electrones (cargas negativas). A diferencia de las pilas, que se agotan cuando se consumen los reactivos, las baterías pueden recargarse aplicando una corriente eléctrica externa. 32

Fuerzas

Circuitos eléctricos Un circuito eléctrico es el conjunto formado por un conductor y uno o varios generadores de corriente, al que pueden añadirse otros elementos eléctricos. Para representar los circuitos eléctricos se utilizan los siguientes símbolos:

Pila

Resistencia

Bombilla

Interruptor

Amperímetro

Voltímetro

Si los elementos del circuito se disponen uno a continuación del otro, se dice que están en serie; por el contrario, si van colocados en ramas distintas unidas entre sí, decimos que están en paralelo. Para estudiar la corriente eléctrica, se requieren tres magnitudes: • Intensidad de corriente (I): es la carga que atraviesa un conductor en la unidad de tiempo. Se mide en amperios (A). • Voltaje o diferencia de potencial (ΔV): es la energía necesaria para transportar la unidad de carga de un punto a otro. Se mide en voltios (V). • Resistencia (R): es la dificultad de desplazamiento de las cargas debido al rozamiento. Se mide en ohmios (Ω).

Las tres magnitudes anteriores se relacionan mediante la ley de Ohm, que nos dice que la intensidad de corriente que circula por un conductor es igual al cociente de la diferencia de potencial entre sus extremos y su resistencia: I=

ΔV R

Magnetismo El magnetismo es la propiedad de algunos objetos, llamados imanes, de atraer otros objetos fabricados con hierro. Las fuerzas que aparecen se denominan fuerzas magnéticas. Las fuerzas magnéticas son fuerzas a distancia de bastante intensidad. Un imán puede ser natural, como la magnetita, o artificial. Todos los imanes tienen dos polos o zonas en las que el magnetismo es más intenso: polo norte y polo sur. • Si los enfrentamos por los polos diferentes, los imanes se atraen. • Si los enfrentamos por los polos iguales, los imanes se repelen.

En el siglo xix se descubrió que un conductor por el que circula corriente se comporta como un imán. Gracias a este efecto, hoy día podemos fabricar electroimanes, que poseen muchas e importantes aplicaciones tecnológicas. Fuerzas

Actividades 106 Contesta estas cuestiones sobre las fuerzas: a) ¿Qué efectos pueden producir sobre los objetos? Explícalo con ejemplos. b) ¿Qué es el punto de aplicación de una fuerza? ¿Por qué es importante? c) ¿En qué unidades de miden las fuerzas? Indica la equivalencia entre ellas.

107 Las fuerzas pueden clasificarse en fuerzas de contacto y fuerzas a distancia. Corrige en tu cuaderno los errores que hay en estos enunciados: a) Las fuerzas a distancia son siempre más débiles. b) Las fuerzas eléctricas son fuerzas de contacto. c) Las fuerzas a distancia necesitan que los objetos estén alejados.

108 Realiza las siguientes conversiones de unidades de fuerza: a) 15 N. Exprésala en kilopondios. b) 150 000 dina. Exprésala en newtons. c) 14,7 kp. Exprésala en newtons.

109 Recuerda lo que has aprendido sobre las máquinas simples y contesta brevemente en tu cuaderno estas cuestiones: a) ¿Para qué sirve, en general, una máquina? b) Piensa en algunos ejemplos de máquinas simples. ¿Se requiere una alta tecnología para fabricar una de estas máquinas? Explícalo con algún ejemplo. c) ¿Qué elementos forman una palanca?

110 El clásico balancín de los parques infantiles es un ejemplo de palanca. a) Dibuja un balancín de forma esquemática y señala dónde se situaría el punto de apoyo o fulcro, la potencia y la resistencia. b) Si se suben al balancín dos niños de pesos muy diferentes, es muy difícil accionarlo. ¿Podrías explicarlo?

111 Juan quiere levantar una pesada caja. ¿Cuál de las siguientes propuestas le recomendarías? Justifícalo. a) Puede usar una polea. b) Puede usar un plano inclinado con un ángulo de 45º. c) Puede usar un plano inclinado con un ángulo de 20º. d) Puede usar una palanca de brazo largo, apoyada cerca de la caja.

Fuerzas

112 El peso es una fuerza de gran importancia en multitud de situaciones cotidianas. a) ¿Qué relación tiene el peso con las fuerzas gravitatorias? b) ¿Cómo se calcula el peso de un cuerpo en la superficie de la Tierra? Escribe la fórmula y explica qué magnitudes intervienen en el cálculo.

113 Calcula el peso de los siguientes cuerpos, suponiendo que nos encontramos en la superficie terrestre, donde g = 9,8 m/s2: a) Una maleta de 10 kg de masa. b) Un niño de 12 años, cuya masa es de 40 kg c) Una bicicleta de montaña, que está fabricada con 8 kg de metal. d) Un luchador de sumo, que tiene una masa de 100 kg.

114 Razona si las siguientes afirmaciones sobre las fuerzas gravitatorias son verdaderas o falsas: a) Si las masas aumentan, la fuerza es menor, ya que es inversamente proporcional al producto de las masas. b) Si los cuerpos se alejan, la fuerza gravitatoria disminuye. c) Las fuerzas gravitatorias son muy intensas.

115 La Luna tiene una masa bastante menor que la Tierra y también es más pequeña. Como consecuencia, la aceleración de la gravedad en su superficie es una sexta parte de la terrestre. a) ¿Cuál sería el valor de dicha aceleración de la gravedad? Utiliza el valor de g para calcularla. b) Supongamos que un astronauta equipado con su traje espacial posee una masa total de 120 kg. ¿Cuál sería su peso en la Luna? c) El ser humano alcanzó la Luna por primera vez en 1969 y, posteriormente, varias misiones más lograron alunizar. ¿Cómo puedes explicar que los astronautas diesen grandes saltos con facilidad sobre la superficie lunar, tal y como se mostraba por televisión?

116 Recuerda lo que has aprendido sobre las fuerzas gravitatorias y sobre las fuerzas eléctricas y contesta brevemente en tu cuaderno las siguientes cuestiones: a) ¿Qué tipo de fuerzas son, tanto unas como las otras? ¿Por qué? b) ¿Qué da lugar a las fuerzas eléctricas? ¿Y a las fuerzas gravitatorias? c) Indica dos diferencias entre ambos tipos de fuerzas. Fíjate en cómo son y también en la intensidad que poseen.

117 La unidad de carga eléctrica en el Sistema Internacional es el culombio (C). La carga de un solo electrón es de –1,609 · 10–19 C. Utiliza una calculadora científica y calcula cuántos electrones necesitaríamos para obtener la carga de –1 C. Exprésalo en notación científica y también en notación decimal. Fuerzas

118 La corriente eléctrica es la base de la mayoría de las aplicaciones tecnológicas de la electricidad. Corrige en tu cuaderno los errores que hay en las siguientes afirmaciones relacionadas con la corriente eléctrica: a) Un conductor es un material que produce corriente eléctrica. b) Una corriente eléctrica se forma cuando tenemos gran cantidad de cargas en un material. c) Los materiales aislantes permiten el paso de cargas eléctricas. d) Los mejores aislantes eléctricos son los metales.

119 Para conseguir una corriente eléctrica necesitamos un dispositivo que la produzca. a) ¿Qué nombre recibe este dispositivo? b) ¿Qué dos ejemplos conoces en la vida cotidiana? c) Indica cuál es la diferencia fundamental entre ambos.

120 El uso de la corriente eléctrica implica la utilización de buenos conductores, pero también es muy importante el papel de los aislantes eléctricos. a) ¿Qué materiales aislantes conoces? b) ¿Por qué crees que se recubren los cables eléctricos y los mangos de los destornilladores con una envoltura de plástico?

121 La corriente eléctrica que circula por la red doméstica tiene la suficiente intensidad como para electrocutar a un ser humano. Señala por qué las siguientes situaciones entrañan un grave riesgo para la salud: a) Utilizar aparatos eléctricos (secador, radio, etc.) cerca de la bañera. b) Manipular los cables para conectar una lámpara sin cortar antes la corriente. c) Estar descalzo mientras se manipulan cables eléctricos conectados a la red.

122 Define qué es un circuito eléctrico e indica qué función desempeña en él cada uno de estos elementos y cómo se representa: a) Una resistencia. b) Un interruptor. c) Un voltímetro.

123 Dibuja en tu cuaderno los circuitos que se describen a continuación: a) Una pila en serie con dos resistencias y un interruptor. b) Dos pilas en paralelo, conectadas a una resistencia.

Fuerzas

124 Las bombillas iluminan gracias a un delgado filamento que, al paso de la corriente eléctrica, se pone incandescente. Cuando una bombilla se funde, dicho filamento se rompe y el paso de la corriente es interrumpido. Imagina que tenemos varias bombillas y que queremos encenderlas todas con una única pila. Contesta: a) ¿Qué ocurrirá si las colocamos en serie y se funde una de ellas? b) ¿Qué ventaja aportaría colocarlas en paralelo? c) ¿Por qué crees que, en la instalación eléctrica de nuestras casas, las lámparas de las distintas habitaciones están conectadas en paralelo?

125 La corriente eléctrica circula, por convenio, desde el polo positivo de la pila, o cátodo, hacia el polo negativo de la pila, o ánodo. Teniendo esto en cuenta, dibuja en tu cuaderno un circuito eléctrico que incluya una pila, una resistencia y un interruptor en serie. No olvides señalar el sentido de la corriente. 126 Define e indica la unidad en la que se miden las siguientes magnitudes, relacionadas con la corriente eléctrica: a) Voltaje

b) Intensidad de corriente eléctrica

c) Resistencia eléctrica

127 ¿Qué nos dice la ley de Ohm? Escribe su fórmula y utilízala para calcular: a) El voltaje de una pila que, con una bombilla de 20 Ω, produce una intensidad de corriente de 0,25 A. b) La resistencia del motor que debemos poner en un circuito que tiene una pila de 4,5 V para que circule una corriente de 0,15 A.

128 Las fuerzas magnéticas son conocidas desde muy antiguo. a) ¿Qué es el magnetismo? ¿Cuándo se pone de manifiesto? b) Define qué es un imán. c) ¿A qué llamamos polos de un imán? ¿Qué nombres reciben? d) ¿Cómo son las fuerzas entre polos iguales y entre polos distintos?

129 Además de los imanes naturales, existen imanes artificiales. Entre ellos destacan los electroimanes. a) ¿En qué se basa el funcionamiento de un electroimán? b) ¿Crees que un electroimán podría funcionar sin corriente eléctrica? Razona tu respuesta.

130 Las siguientes afirmaciones sobre el magnetismo y los imanes contienen algunos errores. Corrígelas en tu cuaderno: a) Un imán es un cuerpo que atrae a los metales. b) Los imanes tienen dos polos iguales en cada extremo. c) El magnetismo se manifiesta con fuerzas muy débiles. d) Las fuerzas magnéticas se producen entre cargas eléctricas. Fuerzas

Para experimentar Construye una brújula La Tierra se comporta como un imán gigante, con su propio campo magnético. Esto es debido a que posee un núcleo interno formado por hierro y níquel fundidos. Por ello posee dos polos magnéticos, norte y sur. El polo sur magnético se encuentra cerca del polo norte geográfico, mientras que el polo norte magnético se sitúa cerca del polo sur geográfico. Los metales magnetizados se alinean naturalmente con ese campo. Gracias a este efecto, basta con magnetizar una aguja para tener una brújula que nos servirá para orientarnos.

Materiales necesarios • Un imán en forma de barra • Una aguja de coser • Un corcho de botella • Pegamento en barra • Un plato sopero poco profundo • Agua • Tijeras

Procedimiento 1 Corta un círculo de corcho de entre 5 y 10 mm de espesor. 2 Frota la aguja, desde el ojo hasta la punta, unas 50 veces con el polo norte del imán. Si el imán no lleva marcado el norte, escoge uno de los lados y frota la aguja solo con ese lado. Tras cada movimiento, separa el imán de la aguja para reducir la probabilidad de que pierda las propiedades magnéticas. Frotar la aguja desde el ojo hasta la punta hace que los átomos de hierro de la aguja se alineen, lo que la convierte temporalmente en un imán. 3 Pega la aguja magnetizada en el corcho y deposita este en el plato con agua. No sitúes el plato cerca de un ordenador u otro aparato que contenga imanes, pues pueden alterar el experimento. Observa si la aguja se mueve y hacia dónde señala.

Explicación El hierro contiene pequeñas regiones, llamadas dominios magnéticos, donde los electrones se alinean en la misma dirección. Cuando el hierro es expuesto a un campo magnético fuerte, frotándolo con un imán, sus dominios se alinean, de modo que la aguja se convierte temporalmente en un imán. El agua, por su parte, proporciona una superficie donde apenas existe fricción, de manera que el corcho puede girar. Así, la aguja imantada se mueve hasta que su polo norte (el ojo) apunta hacia el polo sur magnético de la Tierra, que coincide aproximadamente con el Polo Norte geográfico. 38

Fuerzas

Practica la lectura científica

Isaac Newton nació el día de Navidad de 1642. Desde una edad muy temprana, Newton mostró una gran brillantez intelectual y se interesó apasionadamente por las matemáticas y la física. En 1666, a la edad de 23 años, un brote epidémico le obligó a pasar un año en cama en su pueblecito natal, Woolsthorpe, al norte de Inglaterra. Allí se dedicó a estudiar la naturaleza de la luz y estableció las bases para su famosa teoría de la gravitación universal. Newton realizó también un estudio sistemático de la mecánica, enunciando sus tres leyes. Partiendo del principio de inercia, es decir, de la tendencia de un objeto en movimiento a continuar moviéndose en línea recta, a menos que sufra la acción de una fuerza que lo desvíe, el genial físico inglés supuso que, si la Luna no salía disparada en línea recta lejos de la Tierra, era por la presencia de una fuerza que la empujaba continuamente hacia nuestro planeta. Newton llamó gravedad a esta fuerza y creyó que actuaba a distancia, pues nada conecta físicamente la Tierra con la Luna. También demostró que la misma fuerza que hacía caer los objetos sobre la Tierra mantenía la Luna en su órbita. La ley de la gravitación es universal, lo que significa que es válida para cualquier punto del universo. En ella, se establece que la fuerza gravitatoria disminuye de forma inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre las masas.

131 Responde las siguientes preguntas, usando la información de la lectura: a) ¿Qué tipo de persona era Isaac Newton? b) ¿Cómo llegó a la conclusión de que existía una fuerza que atraía a la Tierra y la Luna? c) ¿Por qué se dice que la ley de la gravitación es universal? d) ¿Qué ocurrirá con la fuerza gravitatoria si los objetos se alejan?

Trabaja con el ordenador 132 ¿Qué famosa obra escribió Newton, en la cual se recogían los fundamentos de la mecánica y su ley de la gravitación universal? ¿En qué idioma la escribió? 133 Los movimientos de los planetas fueron estudiados por Johannes Kepler, antes de que Newton enunciase su ley de la gravitación. ¿Qué decía la primera ley de Kepler?

Más información en internet Amplía tus conocimientos sobre la figura de Isaac Newton en este enlace: https://www.lamanzanadenewton.com/curiosidades/biografias/lmn_vidas01.html Fuerzas

Energía Concepto de energía La energía es una magnitud que mide la capacidad que tiene un sistema para realizar cambios o transformaciones sobre sí mismo o sobre otros sistemas.

La energía se manifiesta en los cambios físicos, por ejemplo, al elevar un objeto, transportarlo, deformarlo o calentarlo. También está presente en los cambios químicos, como en la combustión de un trozo de madera o en la descomposición de las moléculas de agua mediante la corriente eléctrica. La energía posee dos propiedades muy importantes: • Se puede transformar de unas formas a otras. Por ejemplo, la energía eléctrica se puede transformar en energía térmica en una plancha. • Se puede transferir de unos sistemas a otros. Por ejemplo, la plancha caliente transfiere calor a la ropa, consiguiendo así el planchado.

Aunque puede transformarse y transferirse, la energía total siempre se conserva. Por ejemplo, cuando un coche frena, pierde energía cinética (del movimiento), pero esa energía se intercambia en forma de calor en los frenos y en el asfalto. En el Sistema Internacional, la unidad de medida de la energía es el julio (J) aunque también se emplea la caloría (cal). La equivalencia entre ambas es que 1 cal = 4,18 J.

Formas de energía La energía puede manifestarse de diferentes formas. Algunas de las más importantes son las siguientes: • Energía cinética (Ec ): es la que poseen los cuerpos debido al movimiento. Depende de la masa y de la velocidad. Se calcula mediante la expresión: Ec =

1 m . v2 2

• Energía potencial (Ep ): es la energía asociada a la masa y a la posición de un cuerpo. Se manifiesta cuando el cuerpo se sitúa a una cierta altura. Se calcula con la fórmula: Ep = m · g · h

• Energía mecánica (Em ): es la suma de la energía cinética y la energía potencial. Em = Ec + Ep =

1 m· v2 + m · g · h 2

• Otros tipos de energía destacados son la energía térmica (calor) y la energía eléctrica, de gran importancia en nuestra vida cotidiana.

Energía

Fuentes de energía Las fuentes de energía son los recursos naturales a partir de los cuales, mediante transformaciones adecuadas, obtenemos la energía que utilizamos con fines diversos. Existen dos tipos de fuentes de energía: • Fuentes de energía renovables: son aquellas que se regeneran continuamente. Por ejemplo:

– Energía mareomotriz (mareas) – Energía hidráulica (embalses, saltos de agua) – Energía eólica (viento)

– Energía solar (sol) – Energía de la biomasa (materia orgánica)

• Fuentes de energía no renovables: son aquellas que se encuentran en una cantidad limitada.

– Combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural) – Energía nuclear (fisión y fusión nuclear)

Calor y temperatura El calor (Q) es la energía que se transfiere entre dos sistemas a diferentes temperaturas. La transferencia se produce desde el cuerpo más caliente al más frío. Como el calor es energía, su unidad de medida en el Sistema Internacional es el julio (J). Pero también se utiliza mucho la caloría (cal), que es la cantidad de calor necesaria para elevar un grado la temperatura de un gramo de agua. La temperatura (T) es una magnitud básica relacionada con la energía cinética media de las partículas que forman un sistema. La temperatura es la magnitud que cuantifica cómo de caliente está un sistema. Se mide con termómetros, de los que hay muchos tipos, y hay diferentes escalas: Fahrenheit, Celsius y Kelvin (absoluta). Las equivalencias son las siguientes: T (K) = T (0C) + 273,15

T (0F) = T (ºC) · 1,8 + 32

Propagación del calor La transferencia de calor recibe el nombre de propagación, y puede producirse de tres formas: • Conducción: ocurre por contacto directo. Se da en ciertos materiales, como los metales. • Convección: se produce por el transporte de materia caliente de unas zonas a otras. Sucede en los fluidos, en los que se forman corrientes de convección. • Radiación: se transmite mediante ondas electromagnéticas, por lo que puede producirse en el vacío y no necesita un medio material. Energía

Actividades 134 Identifica el cambio (físico o químico) que tiene lugar en cada una de estas situaciones y explica si se produce o no intercambio de energía: a) Una pelota de goma se deforma al apretarla con la mano. b) El polen es transportado por el viento de una flor a otra. c) El magnesio reacciona con agua formando óxido de magnesio e hidrógeno. d) Un tronco de madera arde en una chimenea. e) Las olas del mar erosionan las rocas de un acantilado. f) Un bloque de hielo se funde.

135 Observa estas ilustraciones:

a) ¿Se están produciendo cambios físicos? Descríbelos. b) Toma uno de ellos como ejemplo y explica qué intercambios de energía se producen.

136 Observa las fotografías e indica qué tipo o tipos de energía posee cada cuerpo.

Moto Balón

Macetas

Bombilla

Fuego

137 Responde a las siguientes cuestiones: a) El balón y la moto de la actividad anterior son dos cuerpos en movimiento y, por tanto, poseen energía cinética. ¿Cuál de los dos crees que tiene mayor cantidad de energía? ¿Por qué? b) ¿Cómo podríamos conseguir que el balón aumentase su energía cinética? c) Si tenemos una maceta en un balcón de un segundo piso y otra igual en un balcón de un décimo piso, ¿cuál tiene mayor energía potencial? ¿Por qué? d) Una persona asciende hasta la cumbre de una montaña. ¿Será mayor su energía potencial si sube corriendo?

Energía

138 Explica cómo se calcula la energía cinética. Usa la fórmula para calcular la energía cinética de los siguientes cuerpos, teniendo en cuenta que debes expresar las unidades en el Sistema Internacional: a) Un proyectil de 10 g de masa se lanza a una velocidad de 20 m/s. b) Un atleta de 65 kg de masa corre a una velocidad de 15 km/h. c) Un coche de 2300 Kg de masa circula a 60 km/h.

139 Observa la ilustración y responde a las preguntas en tu cuaderno. 2

3 4

a) ¿En qué punto es mayor la energía potencial del esquiador? b) ¿Qué tipo de energía posee el esquiador en el punto 1? c) ¿En qué punto es mayor su energía cinética? d) ¿Qué transformación de energía se produce en el punto 3?

140 Halla la energía mecánica –suma de la energía cinética y de la energía potencial– para cada uno de estos cuerpos. Recuerda que debes utilizar las unidades del Sistema Internacional, para obtener el resultado en julios. a) Un pequeño pájaro de 55 g de masa vuela a 20 m de altura y a una velocidad de 2 m/s. b) Un coche de 2 toneladas de masa circula por un viaducto de 300 m de altura a una velocidad de 90 km/h. c) Una bolita de 10 g de masa rueda por un carril a 50 cm de altura a una velocidad de 30 cm/s.

141 Realiza las siguientes conversiones de unidades de energía: a) Un postre contiene una energía de 320 kcal. Exprésala en julios. b) La energía cinética de un insecto volador es de 0,0005 J. Exprésala en cal.

142 Como sabes, la energía es una magnitud física cuyo estudio es de gran importancia, pues todos los cambios físicos o químicos que suceden en nuestro entorno conllevan un intercambio de energía. Las siguientes afirmaciones sobre la energía contienen errores. Corrígelos en tu cuaderno: a) La energía sufre continuas transformaciones y a veces se pierde. b) Las energías cinética y potencial son equivalentes y se les llama energías mecánicas. c) Solo existe una forma de energía, aunque pueda producir muchos cambios. d) La energía cinética de un cuerpo en reposo es igual a su energía potencial. Energía

143 Indica la fuente de energía que se corresponde con cada definición: a) Emplea la energía proveniente del sol. b) Aprovecha la energía cinética de los saltos de agua. c) Se sirve de la energía cinética del viento. d) Utiliza el calor interno de la Tierra. e) Aprovecha el movimiento del agua durante las mareas. f) Se obtiene a partir de restos orgánicos.

144 Las fuentes de energía para el aprovechamiento humano se dividen en renovables y no renovables. ¿Cuál o cuáles de las siguientes afirmaciones corresponderían con cada tipo? Explícalo, poniendo algún ejemplo. a) Tienen la ventaja de que no se agotan nunca. b) Pueden existir problemas de suministro a medio o largo plazo. c) Son más respetuosas con el medio ambiente y menos contaminantes.

145 El ahorro energético es uno de los pilares fundamentales del llamado desarrollo sostenible, que es uno de los principales objetivos de las sociedades desarrolladas. a) ¿Qué entendemos por desarrollo sostenible? Si no lo tienes claro, puedes consultar internet. b) ¿Qué papel desempeña el ahorro de energía en el logro de un desarrollo sostenible? c) Señala, al menos, tres acciones que puedes llevar tú a cabo en tu día a día para ahorrar energía.

146 El calor y la temperatura son dos magnitudes físicas de gran importancia. Aunque se encuentran en estrecha relación, son dos magnitudes diferentes. a) ¿Cómo definimos el calor? b) ¿Te parece correcta la frase «Tengo calor» desde el punto de vista de la Física? ¿Por qué? c) ¿Qué relación encuentras entre el calor y la temperatura?

147 Realiza en tu cuaderno las siguientes conversiones de unidades de temperatura: a) El punto de ebullición del agua, 100 ºC. Exprésala en K y ºF. b) El punto de fusión de la parafina, 158 ºF. Exprésala en ºC y K. c) La temperatura del espacio exterior, 3K. Exprésala en ºC y en ºF.

148 Se tienen dos recipientes del mismo tamaño llenos de agua. Uno contiene agua a 80 °C y el otro, agua a 300 K. Razona y contesta: a) ¿Cuál es el agua más caliente? b) ¿En cuál de los dos líquidos es mayor la energía cinética media de sus partículas? c) ¿Qué ocurre si mezclamos el agua de ambos recipientes en otro recipiente mayor? Explícalo desde el punto de vista de la Física.

Energía

149 Observa las ilustraciones y responde. a) La situación A corresponde a un cambio de estado. ¿De cuál se trata? ¿Qué sucede con la temperatura mientras se produce este cambio de estado? b) La situación B representa el mismo recipiente una hora después. Explica por qué ahora la temperatura es muy superior.

150 La propagación del calor es el proceso en que este pasa de los cuerpos calientes a otros más fríos. Señala si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas, y corrige las falsas en tu cuaderno: a) La propagación del calor por convección es propia de los sólidos. b) La radiación no necesita un medio material para propagar el calor. c) Los metales son malos conductores térmicos. d) El calor que recibimos del sol se transmite por conducción. e) La convección solo puede darse en fluidos, es decir, solo en los líquidos. f) La madera es un buen conductor térmico.

151 La siguiente ilustración muestra una situación cotidiana. En ella, el 1 representa los rayos solares, el 2 es un radiador de pared y el 3 son las corrientes de convección del aire en el interior de la habitación.

a) ¿En qué parte de la estancia dirías que se propaga el calor por radiación? b) ¿Cómo se transmite el calor desde el agua del radiador al aire? c) Al ascender hacia el techo, el aire caliente se enfría. ¿Qué sucede con el aire frío? d) ¿Por medio de qué procedimiento se propaga el calor por toda la habitación?

152 Si te fijas en tu propia casa, observarás que los radiadores para calefacción se colocan en la parte baja de las habitaciones y, en cambio, los aparatos de aire acondicionado se instalan en la parte más alta. ¿Por qué crees que se hace de esta manera? Explícalo. 153 Las ollas y sartenes están fabricadas de metal (acero o aluminio), pero sus asas y mangos se encuentran habitualmente recubiertas de plástico o están directamente fabricadas con este material. Busca una explicación basada en lo que has estudiado sobre la propagación del calor. Energía

Para experimentar Construye una bombilla incandescente La bombilla incandescente es un invento de gran importancia en la evolución de nuestra sociedad, pues ha sido uno de los aparatos eléctricos más utilizados por el ser humano hasta el momento. La invención de la bombilla se basa en el efecto térmico de la corriente eléctrica; cuando esta circula por un delgado hilo, se alcanzan altas temperaturas, suficientes para poner el metal incandescente y que emita luz visible. Las primeras bombillas duraban muy poco, ya que las altas temperaturas fundían rápidamente los filamentos. En 1880, Thomas Alva Edison patentó la primera bombilla comercial, que tenía un filamento de carbono.

Materiales necesarios • Un bote de cristal con tapa • Un punzón fino • Una pila de 3 V • Dos trozos de cable de 6 cm de largo • Plastilina • Un cable muy fino • Cinta adhesiva

Procedimiento 1 Con la ayuda del punzón, haz dos agujeros pequeños en la tapa del bote de cristal. Procura que tengan el tamaño adecuado para poder introducir luego los cables. 2 Pela los extremos de los cables. Después, pasa cada cable por un agujero de los que has hecho en la tapa. 3 Haz un gancho con los extremos pelados del interior del bote de cristal y sujeta con ellos el cable más fino. 4 Cierra el bote y, para aislar el interior, cubre bien con plastilina los agujeros que hiciste para meter los cables. 5 Con cinta adhesiva, une los bornes de la pila con los extremos de cable que han quedado fuera del bote de cristal. Observa lo que sucede.

Explicación En el momento en que conectes los cables a los dos bornes de la pila, la bombilla incandescente entrará en funcionamiento. La pila genera una corriente eléctrica que, a través de los cables, es conducida y atraviesa el cable fino sujeto dentro del bote de cristal. Esta corriente, al cabo de un tiempo, produce un aumento significativo de la temperatura en el cable fino y este emite radiación en forma de luz visible.

Energía

Practica la lectura científica

Biomasa es un término que describe los materiales provenientes de seres vivos; es decir, designa toda la materia orgánica procedente del reino animal y vegetal, ya haya sido obtenida de manera natural o bien proceda de transformaciones artificiales. Toda esta materia puede convertirse en energía mediante procesos químicos. La energía de la biomasa procede en última instancia del Sol. Los vegetales absorben y almacenan una parte de la energía solar que llega a la Tierra. A su vez, los animales obtienen esa energía al alimentarse de ellos. Cuando la materia orgánica de las plantas almacena la energía solar, también se generan subproductos que no sirven para los animales ni para fabricar alimentos, pero sí para producir energía. De hecho, la biomasa era la fuente energética más importante para la humanidad hasta el inicio de la Revolución Industrial, aunque su uso fue disminuyendo al utilizarse masivamente los combustibles fósiles como fuente de energía. Los combustibles procedentes de la transformación física, química o biológica de la biomasa se denominan biocombustibles. Pueden ser: • Biocombustibles sólidos: son los procedentes del sector agrícola y forestal, como la leña, la paja, los restos de la poda de la vid, el olivo y los frutales, las cáscaras de frutos secos, los huesos de aceitunas, etc. Estos biocombustibles se pueden utilizar directamente, por ejemplo, en chimeneas o en instalaciones modernas para su uso a gran escala; con esta finalidad, se transforman previamente en astillas, serrín o briquetas. • Biocombustibles gaseosos: entre ellos destaca el biogás, formado principalmente por metano y dióxido de carbono. Se suele producir de forma espontánea en el fondo de lagunas, presas y depuradoras, donde existen depósitos de materia orgánica, y también, en los vertederos de basura o a partir de residuos ganaderos. • Biocombustibles líquidos: también conocidos como biocarburantes, se utilizan como sustitutos de los combustibles derivados del petróleo en los motores.

154 ¿Qué entendemos por biomasa, de acuerdo con la lectura? 155 Los biocombustibles se relacionan con la biomasa, como acabas de leer. ¿Qué tipo de biocombustibles se han usado de forma tradicional, antes de la revolución industrial?

Trabaja con el ordenador Más información en internet Una de las consecuencias del uso masivo de fuentes de energía no renovables, como los combustibles fósiles, es el aumento del efecto invernadero, que tiene como consecuencia un cambio climático. Investiga en internet y redacta un párrafo de unas cinco o seis líneas sobre este importante problema medioambiental. http://www.esa.int/esaCP/Spain.html Energía

Todas las actividades de este material deben realizarse en un cuaderno aparte, nunca en el mismo material. © de esta edición: Grupo Editorial Bruño, S. L., 2021 Juan Ignacio Luca de Tena, 15 28027 Madrid