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Nov 7 2018
El PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES explicado fácil.

El descubrimiento de Arquímedes

el principio de arquimedes
Arquímedes (287 a. C.- 212 a. C.)

Los materiales líquidos y gaseosos son denominados fluidos. En un sólido, el movimiento de las partículas consiste en una vibración de las mismas, ya que un sólido tiene forma y volumen fijo. Sin embargo, un fluido líquido, el volumen es constante, pero la forma ya no es fija. Algo similar ocurre en los fluidos gaseosos en cuanto al volumen: no está definido. Lo interesante es que los gases tampoco presentan volumen propio.

Analizando en más profundidad a los líquidos, no podemos pasar por alto lo descubierto por Arquímedes en el Siglo III a.C. Descubrió, ni más ni menos, la relación entre el líquido desalojado por un cuerpo que es sumergido en el fluido y la fuerza de flotación o empuje que recibe.

Principio de Arquímedes

El Principio de Arquímedes sostiene que, cuando un cuerpo está total o parcialmente sumergido en un fluido que se encuentra en reposo, -como por ejemplo un vaso con agua-, sobre dicho cuerpo actúa una fuerza de empuje, que es vertical, su sentido es hacia arriba y su valor es igual al peso del fluido que se ha desalojado por el objeto o parte de él que se encuentra sumergido.

Pensemos un poco mejor estas maravillosas palabras en términos matemáticos.

Como dijimos, el empuje es igual al peso del líquido desalojado. Esto lo expresaremos, en fórmulas, de la siguiente manera:

\( E=P_{liqdesalojado}\)
(Ecuación 1)

En esta ecuación, Plíqdesalojado representa el peso del líquido desalojado y E, la fuerza de empuje. ¿Esto qué significa? Que si colocamos un objeto dentro de un fluido y se pudiera medir el peso del líquido que se desalojó, este peso sería exactamente igual a la Fuerza de empuje experimentada por dicho cuerpo cuando fue sumergido en el fluido.

Por otro lado, sabemos que el peso de cualquier cuerpo es igual a su peso específico por el volumen que ocupa. Es decir:

\( P _{cuerpo} =\rho _{cuerpo} \cdot V _{cuerpo} \)
(Ecuación 2)

Sabiendo eso, detengámosnos a ver la Ecuación 1. Allí, veremos que aparece \( E=P _{ liqdesalojado }\). Dicho peso ahora puede ser reemplazado por \( \rho_{liqdesalojado} \cdot V \), dado que eso es justamente lo que expone la ecuación 2. De esa manera, obtendremos que:

\( E=\rho_{liqdesaloj} \cdot V_{liqdesalojado}\)
(Ecuación 3)

Aquí, \( \rho_{liqdesaloj} \) es el peso específico del líquido y\( V_{liqdesalojado}\)es el volumen del líquido desalojado.

Continuando, sabemos que el volumen del líquido desalojado coincide con el volumen del cuerpo sumergido. Si notamos como \(V_{cuerposumergido}\) al volumen del cuerpo sumergido, nos queda:

\( E=\rho_{liqdesaloj} \cdot V_{cuerposumergido}\)
(Ecuación 4)

Esta ecuación es, quizás, la más conocida de las formas de presentar el Principio de Arquímedes.

Para terminar el análisis, podemos notar que, como el peso específico de un líquido es igual a su densidad (notada como δ) por el valor de la gravedad, podemos reescribir la Ecuación 4 como:

\( E=\delta \cdot g \cdot V_{cuerposumergido}\)

En el llamado equilibrio hidrostático, el valor del empuje deberá ser igual al peso del objeto, es decir, el peso del líquido desalojado es igual al peso del cuerpo sumergido.

Resumen de fórmulas de Arquímedes

Las ecuaciones y fórmulas usadas en este artículo pueden ser resumidas en el siguiente cuadro:

Ecuaciones de Empuje
\( E=P_{liqdesalojado}\)
\(E=\rho_{liqdesaloj} \cdot V_{liqdesalojado}\)
\( E=\rho_{liqdesaloj} \cdot V_{cuerposumergido}\)
\( E=\delta \cdot g \cdot V_{cuerposumergido}\)

Experimento sobre Arquímedes

Objetivos: 

  • Utilizar modelos científicos y escolares que expliquen situaciones referidas a las leyes de la dinámica.
  • Interpretar conceptos fundamentales de la Física con el fin de aplicarlos en la resolución de situaciones problemáticas cotidianas.
  • Realizar correctos modelos escolares y científicos, con el fin de predecir movimientos en el tiempo y el espacio.
  • Resolver y analizar situaciones problemáticas de hidrostática e hidrodinámica, discutiendo resultados.
  • Realizar experiencias relacionadas con fluidos y fuerzas.
  • Comunicar resultados y conclusiones en informes de laboratorio escritos y organizados correctamente, de acuerdo a modelos previamente analizados.
  • Valorar el poder creativo de Dios.

El alumno deberá (para aprobar la Parte Experimental de la Evaluación Integradora de Física Clásica y Moderna)  realizar correctamente la siguiente experiencia de laboratorio:

Objetivo: Calcular la densidad de un fluido conocido utilizando el Principio de Arquímedes y demostrar su relación con el empuje que experimenta un cuerpo sumergido en dicho fluido.

Hipótesis: El empuje que experimenta un cuerpo sumergido depende de la densidad del fluido en el que se lo sumerge.

Materiales:

  • 3 probetas graduadas.
  • Balanza.
  • Una masa.
  • Densímetro
  • Alcohol.
  • Agua.

Procedimiento:

SECCIÓN 1:

Parte I: 

  1. Colocar un volumen V1 previamente fijado de agua dentro de la probeta I. Es indistinta la cantidad de agua que desea utilizarse.
  2. Colocar la masa (mcuerpo sumergido) dentro de la probeta I que contiene agua (inclinando levemente la probeta I).
  3. Medir el nuevo volumen V2 indicado por la probeta graduada. 
  4. Obtener el volumen del cuerpo sumergido aplicando diferencia de volúmenes, según:

Vcuerpo sumergido=V2-V1=Vfluido desalojado

  1. Colocar una probeta II sobre la balanza, midiendo su masa (mprobeta II)
  2. Echar dentro de la probeta II un volumen exactamente igual a Vfluido desalojado.
  3. Obtener la masa del agua colocada en la probeta II (mfluido) con la balanza, teniendo en cuenta que dicha masa deberá ser obtenida de la ecuación:

mtotal=mprobeta II+mfluido

  1. Calcular el peso del líquido desalojado según:

plíquido desalojado=mfluido. g

  1. En base a los datos registrados de Vfluido desalojado y mfluido, calcular la densidad del agua y el peso específico del agua.

Parte II:

  1. Sabiendo que E=Plíquido desalojado, obtener la densidad del agua a partir de

E=δ.g.Vfluido desalojado

  1. Comparar el valor de la densidad obtenida en el punto 1 de la Parte II con el del valor obtenido en el punto 9 de la Parte I.
  2. Comparar el valor de la densidad obtenida con el leído en el densímetro sumergido en agua.

SECCIÓN 2:

  1. Repetir todos los procesos de la sección 1 utilizando alcohol en vez de agua.
  2. Comparar los valores de empuje experimentado por el cuerpo sumergido (que debe ser el mismo que el utilizado en la sección 1) en el agua y en el alcohol.

Parte Teórica

El alumno deberá realizar un informe de laboratorio completa y correctamente. No deberá olvidarse de realizar las tablas donde se registren los datos obtenidos de V1, V2, Vcuerpo sumergido, Vfluido desalojado, mprobeta II, mtotal, mfluido, E y para su futura corrección.

El principio de Arquímedes – Ensamble de Ideas, Fácil de entender, fácil de aprender – Copyright MMXXII

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Feb 26 2018
Inhalación y exhalación pulmonar: dos procesos del Sistema Respiratorio
¿Cómo ocurren los procesos de la inhalación y la exhalación? / El sistema respiratorio. / Hematosis.

El proceso de inhalación y exhalación pulmonar explicados

El diafragma es el músculo que, al contraerse y dilatarse, está  encargado de que el aire entre y salga de los pulmones. Cuando el aire entra en los pulmones, el oxígeno (O2) pasa a la sangre a través de las finas paredes de los alvéolos, unos microscópicos saquitos de aire. La composición del aire que exhalamos no es la misma que la inhalamos. La exhalada tiene mayor porcentaje de dióxido de carbono (CO2), un producto de desecho de nuestro organismo. Los pulmones contienen unos 300 millones de alvéolos, sitios en los que ocurre el intercambio gaseoso desde el pulmón a la sangre.
▶

En los pulmones, la tráquea se bifurca en bronquios
En los pulmones, la tráquea se bifurca en bronquios. Estos, se separan en bronquiolos y estos, a su vez, en alvéolos, donde ocurre la hematosis (intercambio gaseoso).


El proceso de inhalación y exhalación explicados

En números, el aire inhalado tiene 78% de Nitrógeno (N2), 21% de O2 y 0,03% de CO2. El resto son otros gases. El aire exhalado tiene 79% de N2, 5% de dióxido de carbono y 16% de O2. #YoCreíaQue no había O2 en el aire exhalado, pero ya ven que no es así. De hecho, la reanimación boca a boca aprovecha el oxígeno exhalado para reavivar a una persona que no respira.


La inhalación

En la inhalación, el aire entra en los pulmones cuando baja la presión de la cavidad torácica al contraerse el diafragma y expandirse el costillar. El oxígeno se une, en los alvéolos y capilares (finos tubos sanguíneos del grosor de un cabello), a una proteína presente en el torrente sanguíneo, llamada hemoglobina. Esta proteína, que tiene el oxígeno fijado a ella, ahora pasa a llamarse oxihemoglobina, y está lista para recorrer todo el cuerpo a través de las arterias.


La exhalación

Análogamente, en la exhalación, el aire sale en los pulmones cuando sube la presión de la cavidad torácica al relajarse el diafragma y contraerse el costillar.

En este punto, no estaremos exentos de mencionar que, al fumar, el humo del cigarrillo irrita los pulmones y entra en la sangre. Fumar está relacionado con el 90% de los cánceres, aumentando también en riesgo de hipertensión sanguínea, infarto y otras problemáticas. ¿Lo sabías?

Ensamble de Ideas – Copyright MMXXII


 

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Sep 4 2017
Buzos: ¿Hasta qué profundidad pueden bajar?

¿Hasta qué profundidad?

Una persona puede alcanzar una profundidad máxima de 30m cuando practica buceo.

Para entender el por qué debemos comprender bien el concepto de presión. Los libros de ciencia nos explican:

¿Por qué un buzo alcanza hasta esa profundidad?

La presión

“La presión es una magnitud física que expresa la cantidad de fuerza que se aplica sobre un cuerpo por unidad de área.”

Buzo.
Bajando aún más que 30m, la presión causaría estragos en la cabeza de los buzos. Los buzos suelen llevar un casco de metal que soporta grandes presiones.

En palabras más fáciles, la presión es una relación entre la fuerza y la superficie en la que ésta se aplica. Como vemos en el dibujo, bajo el mar la presión del agua se aplica sobre todos los puntos de un cuerpo, haciendo que, a grandes profundidades, ¡la presión sea inaguantable! Esta magnitud se mide en atmósferas. 1 atm es igual a 1013 hPa (una unidad que quizás hayas escuchado en los noticieros, es la presión normal a la que estamos “acostumbrados” a vivir).
La presión aumenta 1 atmósfera cada 10 metros de profundidad. Bajando aún más que 30m, la presión causaría estragos en nuestras cabezas.

La solubilidad de los gases

Por otro lado, hay que tener muy en cuenta cómo subir a la superficie nuevamente, porque hacerlo incorrectamente puede ser fatal. Para ello, será bueno recurrir a los libros de texto, otra vez, y leer la siguiente sentencia:

“La solubilidad de los gases aumenta a medida que sube la presión.”

¿Solubilidad? ¿Qué es eso? Es la cantidad de gas que puede disolverse en cierta cantidad de sangre a determinada presión y temperatura. Aquí, el gas es nuestro preciado oxígeno. Para evitar que se formen burbujas en la sangre (como cuando se abre una botella de gaseosa: se forman burbujas que antes no estaban porque baja la solubilidad del gas -el dióxido de carbono- al bajar la presión), el buceador debe ir subiendo hacia la superficie lentamente, no de repente, porque las burbujas pueden no disolverse, viajar por el sistema circulatorio y causar obstrucciones que llevan a la muerte.

Solubilidad de los gases.
Al estar cerradas, las bebidas gasificadas no tienen burbujas porque la presión dentro de la botella es alta. Todo el gas se encuentra disuelto. Cuando se destapa la botella, la presión baja, parte del gas deja de estar disuelto (al bajar la solubilidad) y forma las burbujas.

Mesografía Sugerida

Te recomendamos los siguientes artículos:

Presión, Volumen y Temperatura: todo lo que tienes que saber.

El portal “Educ.ar” del Ministerio de Educación de la Nación Argentina presenta el artículo sobre Solubilidad de los Gases, disponible en https://www.educ.ar/recursos/15070/solubilidad-de-gases/fullscreen/fullscreen
En el mismo, puedes encontrar actividades experimentales para tus alumnos o tus tareas.

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Jun 17 2017
Presión, Volumen y Temperatura: todo lo que tienes que saber.

Presión, volumen y temperatura son tres palabras usadas habitualmente. Ahora bien, ¿sabemos, exactamente, qué significan o qué son? La finalidad de este artículo es acercarte un poco más a estos tres conceptos desde el punto de vista fisicoquímico y, en particular, su relación con los gases, uno de los cuatro estados de la materia, un poco olvidados, pero vitales y, por demás, curiosos.

Volumen

Como sabrán, los gases se caracterizan por no tener forma ni volumen definido. Si un gas se encuentra dentro un recipiente herméticamente cerrado (significa que nada puede entrar ni salir), podemos decir que ocupa el volumen del recipiente. De esta manera, un gas encerrado en un recipiente de un 1 litro, también ocupará un volumen de un litro.

De esta manera, podemos definir:

El volumen es el espacio que ocupa un cuerpo en el universo.

Las unidades en las que se pueden medir el volumen son las siguientes:

litros(L)
mililitros(mL)
centímetros cúbicos(cm³)
decímetros cúbicos(dm³)

¿Por qué resaltamos, en negrita, a los litros? Esto tiene una explicación muy sencilla que seguramente entenderán mejor cuando vean “leyes de los gases“[note]Este link te lleva directo al segundo artículo de nuestro viaje por el estudio de los gases[/note], dado que, para implementar dichas leyes, es necesario que el volumen que ocupa un gas se exprese en litros.

Presión

Seguramente, alguna vez escucharon en los noticieros la siguiente frase:

“La temperatura en la ciudad de Buenos Aires es de 25°C. La presión atmosférica es de 1013 hPa y el viento sopla desde el norte a 20 km/h. ¡Hermoso día en la Capital de la Argentina!”

Conversación típica en cualquier noticiero o centro meteorológico.

Analicemos un poco esta frase. Para empezar, supongamos que tenemos una cierta cantidad de un gas en un recipiente. Las partículas del gas se moverán constantemente, irán y vendrán rápidamente, como si jugasen a un microscópico juego de la mancha. ¿Se acuerdan de este juego? En él, todos se alejaban lo más posible de otros jugadores (quienes eran “la mancha”) para no perder. A las partículas de gas les pasa lo mismo: quieren alejarse unas de otras, moviéndose constantemente y chocando contra las paredes del recipiente. Ya podemos aclarar que:

Cuanto más frecuentes sean los choques de estas partículas contra las paredes del recipiente, mayor será la presión.

Pero, ¿qué es la presión? Para entender este concepto, primero veamos su definición:

La presión es el cociente entre la fuerza y la superficie, es decir: P=F/S. La presión es la fuerza que ejerce un cuerpo sobre una superficie.

¿Presión, fuerza, superficie? ¿Qué? Tranquilos. Acá llegó EnsambleDeIdeas para que no les dé un pico de presión. Las partículas de un gas pueden representarse (es mejor decir, modelizarse) como un montón de “pelotitas” que chocan y chocan y chocan y chocan y… bueno, ya habrán entendido, dentro de un recipiente. Cada una de esas “pelotitas” ejercen una fuerza sobre alguna superficie (como por ejemplo, las paredes de un recipiente). La relación entre esas fuerzas y la superficie es la presión. Veamos las siguientes imágenes:

Figuras 1 y 2.

La figura 1 muestra que el martillo aplica una fuerza F a un clavito cuya superficie (S1) es muy pequeña. La figura 2 muestra que el mismo martillo aplica la misma fuerza F a un gran clavo cuya superficie (S2) es muy grande. ¿En cuál de los dos casos la presión será mayor?

Una pista muy importante:

\( p=\frac{F}{S}\)

Esta extraña relación matemática (que a estas alturas estarás odiando), nos muestra que cuando la superficie es muy pequeña, la presión es muy grande. Cuando la superficie es grande, la presión es muy pequeña. Entonces, volvamos a la pregunta: ¿en cuál de los dos casos la presión será mayor? ¡En el primero, donde el clavo es muy pequeño!

Así, si algún día viste a un “mago” recostarse sobre una cama de clavos, seguro les habrán engañado diciendo que es magia. ¡No es magia, es ciencia!

Si se recuestan sobre un clavo, la superficie del mismo es muy pequeña, por lo que la presión es gigante y no es nada seguro. No obstante, si se recuestan sobre una cama de clavos como la de la imagen de arriba, la superficie es ahora muy grande, por lo que la presión es muy baja y no les sucederá demasiado. ¡Abracadabra! Tengan en cuenta que la fuerza F es su peso, que no cambia entre una experiencia y otra.

¿Qué tiene que ver todo esto con los gases y con lo que vinieron a buscar? Comencemos recordando que vivimos sobre la faz de la tierra, hundidos en una gran masa de aire que llamamos atmósfera, la cual ocupa un gigantezco volumen y está formado por incontables partículas que conforman el aire.

¿Cuánto aire tienen sobre sus cabezas en este momento? Créannos que hay una columna de aire de casi 2 toneladas de aire que se extiende hasta el espacio. ¿Increíble, no? Sus cráneos son capaces de soportar tal presión. ¿Presión? ¡Justo lo que estábamos hablando! El conjunto de partículas gaseosas que conforman el aire ejerce una fuerza muy grande sobre los cuerpos sumergidos en la atmósfera. Esa fuerza evidentemente da lugar a una presión, tal como hemos visto en el ejemplo del martillo y los clavos, que llamaremos presión atmosférica. ¡Todo está relacionado!

¿Cuánto vale esa presión? Bueno. Ante todo, veamos en qué unidades se miden la presión:

atmósferas(atm)
milímetros de mercurio(mmHg)
hectopascales(hPa)
pascales(Pa)

En negrita, nuevamente, hemos marcado la unidad que se necesitará para las prácticas de leyes de los gases. 1 atm (una atmósfera) es lo que mide la presión atmosférica a nivel del mar (sí, fueron muy originales con el nombre), que corresponde a unos 1013 hPa. ¿1013 hpa? Fíjense qué fue lo que pronunció nuestro noticiero en su informativo de la mañana… ¿No tenés ganas de ir hasta arriba a buscarlo? Se los volvemos a escribir:

“La temperatura en la ciudad de Buenos Aires es de 25°C. La presión atmosférica es de 1013 hPa y el viento sopla desde el norte a 20 km/h. ¡Hermoso día en la Capital de la Argentina!”

1013 hPa es, justamente, 1 atm. La próxima vez presten más atención a los anuncios del clima y fíjense si hay presión alta o baja. Cuando la presión atmosférica es baja, el aire es caliente. Este es un fenómeno llamado depresión, que indica un tiempo nublado y lluvia. Cuando la presión atmosférica es alta, ocurre lo contrario. Este es el fenómeno de anticiclón, que indica un tiempo claro y seco.

Temperatura

Alguna vez escucharon a algún amigo decir:

“¡Ay, qué frío!”

Pues bien, ya pueden decirle que está TOTALMENTE equivocado: ¡El frío no existe! Si, ya sé, díganselo al Papá Noel. No creo que en invierno se acuerden de nuestras palabras, pero es importante que sepan que físicamente el frío es ausencia de calor, dado que lo único que existe desde el punto de vista de la física es el calor.

Ahora bien, ¿qué es el calor?

El calor se define como transferencia de energía. Y eso, ¿con qué se come? Bueno, veamos. Antes de entender este concepto, debemos comprender otro concepto íntimamente relacionado (¡pero nunca igual!): la temperatura.

La temperatura es una medida de la energía cinética que tienen las partículas de un cuerpo.

La diferencia de temperatura entre dos cuerpos hace que se transfiera calor desde el cuerpo más caliente al más frío para intentar alcanzar el equilibrio térmico, es decir, igualar sus temperaturas. Profundicemos un poco más en este concepto.

La temperatura se mide con un instrumento, conocido por todos, llamado termómetro.

Los termómetros suelen contener mercurio o alcohol coloreado en su interior.

La unidad más conocida por los hispanohablantes es el grado celsius (°C), en honor a nuestro querido Anders Celsius (1701 – 1744), quien definió esta escala en 1742. Esta unidad toma dos puntos fijos: el punto de fusión y punto de ebullición del agua[note]a 1 atm de presión[/note] (0°C y 100°C respectivamente).

Otra escala muy utilizada por el público de habla inglesa es el grado fahrenheit (°F) que fue establecida por el físico holandés Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736) en 1714. En esta escala, 0°C corresponde a 32°F y 100°C corresponde a 212°F.

Temperatura.
Según esta escala, 50°F (que nos suena muy caluroso), en realidad corresponde a la temperatura de 10°C. ¡Qué ausencia de calor!

Para realizar el pasaje de celsius a fahrenheit, sólo hace falta emplear la siguiente fórmula:

°F = 1,8 x °C + 32

En donde dice “°C” debes colocar tu temperatura en esa escala. Al hacer la cuenta, te dará la tempratura en fahrenheit. La “x” significa “por” (.)

Con el ejemplo de la imagen, para pasar 10°C a °F:

°F = 1,8 x 10°C + 32 = 50 °F

Para realizar el pasaje de fahrenheit a celsius, ahora hace falta emplear la siguiente fórmula:

°C = (°F – 32) : 1,8

En donde dice “°F” debes colocar tu temperatura en esa escala. Al hacer la cuenta, te dará la tempratura en celsius.

Con el ejemplo de la imagen, para pasar 50°F a °C:

°C = (50 °F – 32) : 1,8 = 10°C

Por último, pero no menos importante, está la escala científica denominada Kelvin (K). Esta escala toma como cero (0 K) el valor más bajo de temperatura del universo, que equivale a unos -273°C. Por lo que: 0°C = 273 K y 100°C=373 K. De esta manera, para convertir de Celsius a Kelvin sólo hace falta sumar 273. En resumen:

K = °C +273

En donde dice “°C” debes colocar tu temperatura en esa escala. Al hacer la cuenta, te dará la tempratura en kelvin.

y

°C = K – 273

En donde dice “K” debes colocar tu temperatura en esa escala. Al hacer la cuenta, te dará la tempratura en celsius.

En caso de querer pasar de kelvin a fahrenheit, te recomendamos seguir los siguientes pasos:

  1. Pasar, primero, los kelvin a celsius, mediante °C = K – 273
  2. Una vez obtenidos los celsius, pasar dicho valor a fahrenheit mediante la fórmula: °F = 1,8 x °C + 32

En caso de querer pasar de fahrenheit a kelvin, te recomendamos seguir los siguientes pasos:

  1. Pasar, primero, los fahrenheit a celsius, mediante la fórmula: °C = (°F – 32) : 1,8
  2. Una vez obtenidos los celsius, pasar dicho valor a kelvin, mediante K = °C +273

Video recomendado

Fuente

http://www.conceptualphysics.com/

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May 17 2017
¡Ayuda: LAS LEYES DE LOS GASES! / Leyes de Boyle, Charles y Gay-Lussac

Comprender el comportamiento de los gases requiere de tres leyes fundamentales que se deberán analizar (las llamadas “Leyes de los Gases”): La Ley de Boyle, la Primera Ley de Gay-Lussac y la Segunda Ley de Gay-Lussac. ¡Pero tranquilo! Con un poquito de atención, verás que es más sencillo de lo que parece.

Aquí comenzamos un gran viaje a través del estudio de los gases. Nuestro trayecto nos lleva por tres paradas. Te recomendamos ir leyéndolas en orden para ser un experto en nuestro viaje.
1. Presión, Volumen y Temperatura.
2. ¡Ayuda: leyes de los gases! [→ ¡Tú estás aquí!]

Seguramente, cuando viste las leyes de los gases reaccionaste así:

Antes de generar un ataque de pánico colectivo, déjanos decirte que no es para tanto. Esas ecuaciones tienen una explicación teórica que, vista con otros ojos, pueden resultar atractivas. Y créenos que entenderás muchas cosas que te pasan o ves en tu día a día. ¡Empecemos!

Primero, deberíamos definir qué entendemos como constante. Algo “constante” adquiere esta denominación cuando no cambia; es decir, se mantiene igual en el tiempo (puede ser un pequeño lapso de tiempo que se toma para el estudio). Dicho esto, comencemos con la primera ley de los gases. ¡Agárrate! ¡Allí vamos!

Ley de Boyle-Mariotte

En palabras complicadas, la ley de Boyle-Mariotte enuncia:

A temperatura constante, la presión y el volumen son inversamente proporcionales.

En otras palabras, esto quiere decir que (si la temperatura no varía) cuando la presión aumenta, el volumen debe disminuir en la misma proporción. Asimismo, si la presión disminuye, el volumen debe subir. Por lo tanto:

Leyes de los Gases: Ley de Boyle.
Si la presión sube, el volumen baja en la misma proporción; si uno baja, el otro sube en la misma proporción. ¡Como un subibaja!

Veamos algunos ejemplos de esta ley:

  • Si colocamos un globo dentro de una jeringa y presionamos el émbolo, la presión dentro de la jeringa aumenta y, por lo tanto, disminuye el volumen del globo, es decir, se encoje. Por otra parte, si baja la presión (por ejemplo, retornando el émbolo a la posición original de esta experiencia), el volumen del globo aumenta.
  • Al inflar la rueda de sus bicicletas, el aire pasa de un sistema con gran volumen (la atmósfera) a un sistema de poco volumen (el neumático), por lo que la presión dentro de la rueda aumenta muchísimo.
Ley de Boyle.
Cuando el volumen ocupado por el aire disminuye, la presión debe aumentar según nuestro querido Sr. Boyle y su ley. ¡Imagínense tanto aire en tan poco volumen! La presión aumentaría tanto que… ¡Boom! A comprar otra llanta.

Leyes de los gases

Primera ley de Gay-Lussac

Teóricamente, la 1ra. Ley de Gay-Lussac enuncia:

A presión constante, el volumen y la temperatura son directamente proporcionales

En otras palabras, esto quiere decir que (si la presión no varía) cuando la temperatura aumenta, el volumen debe aumentar en la misma proporción. Asimismo, si la temperatura disminuye, el volumen debe bajar.

¿Nunca intentaste cocinar alguna carne en el horno colocándola dentro de una bolsita (de ésas que son aptas para hornos, claro) bien cerrada? ¿Cómo estaba la bolsita cuando sacaste la comida tras haberse cocinado? Habrás notado que parece “inflada”. Esto se debe a que, dentro del horno, la temperatura sube muchísimo, haciendo que el volumen de aire que quedó dentro de la bolsa también aumente. ¡Un claro ejemplo de la Primera Ley de Gay Lussac!

Primera Ley de Gay-Lussac.
Cuando aumenta la temperatura del interior de un globo aerostático, aumenta el volumen del aire en su interior.

Segunda Ley de Gay-Lussac

Teóricamente, la 2da. Ley de Gay-Lussac enuncia:

A volumen constante, la presión y la temperatura son directamente proporcionales

En otras palabras, esto quiere decir que (si el volumen se mantiene constante -sí, acá apareció la palabra del inicio de este artículo-): cuando la temperatura aumenta, la presión debe aumentar en la misma proporción. Asimismo, si la temperatura disminuye, la presión también debe bajar.

¿Por qué todos los envases de desodorantes o insecticidas dicen “no arrojar al fuego”? Simple. Si aumenta la temperatura, aumentará la presión. El envase no soportará las grandes presiones de gas que hay dentro y… ¡Puf!

Segunda Ley de Gay Lussac.
La presión dentro del envase aumenta proporcionalmente con la temperatura. La Segunda Ley de Gay Lussac está a la orden del día en este ejemplo. ¡Mucho cuidado!

Caso contrario ocurre cuando accionamos un desodorante o un matafuego. La presión interna es mayor que la presión atmosférica. Al accionar la válvula, la presión interna desciende, igualándose a la presión de afuera. Al bajar entonces la presión, baja la temperatura y el desodorante se enfría (¿nunca lo notaste? ¡comprobalo!). En el caso del matafuego, ¡hasta aparece escarcha o hielo en la válvula!

Como estarás notando, las leyes de los gases pueden ser experimentadas en múltiples ocasiones en la vida cotidiana. Anímate a realizar ejercicios prácticos con ellas en la sección de Actividades y NTICx en la escuela que encontrarás más abajo.

Actividades

  1. ¿Qué enuncia la ley de Boyle?
  2. ¿Qué enuncia la 1ra ley de Gay-Lussac?
  3. ¿Qué enuncia la 2da ley de Gay-Lussac?
  4. ¿Qué enuncia la Ecuación General de Estado?
  5. ¿En qué unidades se miden la presión, la temperatura y el volumen?
  6. Un sistema tiene una presión de 4,5 atm y un volumen de 8,7 L. Si se mantiene la temperatura constante, ¿cuál será la presión del sistema si el volumen fuera de 13,4 L? Rta: P2=2,92 atm.
  7. Un sistema tiene una temperatura de 34K y un volumen de 18,3 L. Si se mantiene la presión constante, ¿cuál será la temperatura del sistema si el volumen fuera de 15 L? Rta: T2=27,87 K
  8. Un sistema tiene una temperatura de 9,5 °C y una presión de 450 atm. Si se mantiene el volumen constante, ¿cuál será la temperatura del sistema si la presión fuera de 225 atm? Rta: T2=141,25 K
  9. Un sistema tiene una temperatura de 15K y una presión de 52 atm. Si se mantiene el volumen constante, ¿cuál será la presión si la temperatura fuera de 45 K? Rta: P2= 155,7 atm
  10. Un sistema tiene una presión de 14,5 atm y un volumen de 87 L. Si se mantiene la temperatura constante, ¿cuál será el volumen del sistema si la presión fuera de 25 atm? Rta: V2=50,46 L 

NTICx en la Escuela

En el siguiente applet del PHET Interactive Simulations de la Universidad del Colorado, podrás experimentar lúdicamente las leyes de los gases vistas.

Aplicación de presión
Imagen perteneciente al applet de Simulación de las Leyes de los Gases del PhET Colorado, disponible en https://phet.colorado.edu/sims/html/gas-properties/latest/gas-properties_es.html
  1. Bombea con el mouse tanto gas como desees. Asegúrate de clickear “Volumen” en el sector de “Mantener constante” que figura a la derecha.
  2. Incórporale energía con la manija de “calor” que se encuentra debajo del recipiente.
  3. Observa qué sucede con la presión. ¿Aumenta, disminuye o se queda constante a medida que la temperatura aumenta? ¿Qué ley está relacionada con este fenómeno?
  4. Reinicia el juego nuevamente con el botón naranja de la parte inferior derecha. Incorpórale una cierta cantidad “A” de gas. Clickea en “Contador de soluciones” y dale Play al cuadro naranja. Anota la cantidad de colisiones que ocurren en un período de muestra de 10 ps. A continuación, incorpora más gas hasta obtener una cierta cantidad “B” de gas y repite la experiencia. ¿La cantidad de colisiones contra las paredes del recipiente aumentó o disminuyó respecto de la experiencia “A”? ¿Cuál es la variable (presión, volumen o temperatura) que aumenta cuando existen más colisiones contra las paredes del sistema?
  5. Reinicia el juego. Mantén la temperatura constante y echa una cierta cantidad de gas dentro del recipiente. Observar el valor de la presión. A continuación, haz click sobre la manija dorada para aumentar el tamaño del recipiente y observa qué sucede con el valor de la presión. ¿Es menor, mayor o igual? ¿Qué ley explica este fenómeno?
  6. Haz tu propia experiencia para poner en juego la última de las leyes de los gases que no hayas experimentado hasta ahora en las cinco actividades anteriores. Explica lo que has hecho en tu carpeta o cuaderno de anotaciones.
M. Belén Despessailles 4 Comments
Abr 1 2017
TEORÍA CINÉTICO MOLECULAR
bernoulli
Bernoulli el creador de la Teoría Cinético Molecular

La Teoría Cinético Molecular explicada

La TEORÍA CINÉTICO MOLECULAR, propuesta por Bernoulli[note](Groninga, 29 de enero/ 8 de febrero de 1700 – Basilea, 17 de marzo de 1782)[/note] en 1738, postula:

  • Los gases están constituidos por un número muy elevado de partículas que están en movimiento rápido y persistente.
  • Las partículas chocan entre sí y contra las paredes del recipiente que las contiene. Se mueven en zigzag, en cualquier dirección.
  • No todas las partículas se mueven a la misma velocidad: unas lo hacen más despacio y otras lo hacen con mayor velocidad.
  • La presión ejercida por el gas se debe a los choques de las moléculas contra las paredes del recipiente que lo contiene.
  • Las partículas son pequeñísimas y están muy separadas entre sí: se encuentran a distancias muy grandes en relación a su tamaño. Las fuerzas de atracción son prácticamente nulas en los gases ideales.
  • La velocidad de las partículas (y por ende, la energía cinética media de traslación) depende de la temperatura de gas. Cuanto mayor temperatura, más rápido se desplazan las moléculas.
  • Cuando dos gases presentan la misma temperatura, sus moléculas presentan la misma energía cinética media.
teoria cinetico molecular
Las partículas del gas son muy pequeñas y están muy separadas unas de otras. Las moléculas siguen trayectorias rectilíneas.

Mini Experiencia de Teoría Cinético Molecular

Para esta actividad necesitarán:

  • Dos vasos transparentes de vidrio exactamente iguales.
  • Agua muy caliente (a unos 80°C a 90°C. ¡Cuidado, no se quemen!)
  • Agua muy fría (a unos 5°C a 10°C).
  • Cinta de papel.
  • Rotulador (marcador indeleble)
  • Tinta china.
  • Un gotero.
  • Un cronómetro.

Para realizar la experiencia deberán:

  1. Colocar cierta cantidad de agua caliente (aproximadamente 150 ml) en un vaso.
  2. Colocar la misma cantidad (aproximadamente 150 ml) de agua fría en otro vaso.
  3. Rotular cada vaso con la cinta de papel escribiendo “Agua fría” y “Agua caliente”.
  4. Echar tres gotas de tinta china en el vaso de agua caliente. En el mismo instante en que hicieron esto, encender el cronómetro.
  5. Tomar el tiempo que tarda la tinta china en disolverse completamente en el agua caliente. Anotar este tiempo en tu carpeta.
  6. Realizar la misma experiencia con el vaso de agua fría: echar tres gotas de tinta china en el vaso de agua fría. En el mismo instante en que hicieron esto, encender el cronómetro. Tomar el tiempo que tarda la tinta china en disolverse completamente en el agua fría. Anotar este tiempo en tu carpeta.

Preguntas de Conclusión.

  1. ¿Cuánto tiempo tardó la tinta china en disolverse en el agua caliente y cuánto tiempo tardó en el agua fría? ¿En cuál tardó más y en cuál tardó menos?
  2. ¿Por qué se observa tanta diferencia de tiempos entre una y otra experiencia? Utilicen los postulados de la Teoría Cinético Molecular para desarrollar la respuesta.
  3. ¿Qué será más fácil: disolver azúcar en un submarino (chocolatada caliente) o hacerlo en un frapuccino (café frío)? ¿Por qué?

Teoría Cínetico Molecular – Ensamble de Ideas – Copyright MMXXII

Hernan Gomez 0 Comments
Feb 4 2017
Los ESTADOS DE LA MATERIA

Los estados de agregación de la materia

La materia, tal como la conocemos, puede presentarse en diferentes estados de agregación, llamados estados de la materia. Se presenta en tres estados fundamentales: gaseoso, líquido y sólido (llamados estados físicos o estados de agregación.

Veamos a continuación, en detalle, cada uno de ellos. En estos párrafos se nombra a las fuerzas de repulsión y atracción. Se refieren a las fuerzas que se originan en la interacción de cargas entre moléculas.

¿Qué son las fuerzas de repulsión y atracción?

Estados de la materia: modelo corpuscular.
Orden de las moléculas en sus diferentes estados de agregación.

Estado Gaseoso

GASEOSO: Los cuerpos que se encuentran en este estado (por ejemplo, el aire) adoptan las forma y el volumen del recipiente que los contiene. Poseen fuerza expansiva; pero son fácilmente compresibles[note]que son capaces de reducir su volumen por efecto de la presión.[/note], pues sus moléculas se encuentran continuamente desordenadas (se mueven de manera independiente, unas respecto de otras). Predominan entre sus moléculas las fuerzas de repulsión.

Estado Líquido

LÍQUIDO: Los cuerpos que se encuentran en este estado (por ejemplo el alcohol o el mercurio utilizado en los termómetros) poseen volumen propio; pero, a diferencia de los cuerpos gaseosos, sí presentan forma propia. Debido a tales características, adoptan la forma del recipiente que los contiene. Tienen superficie plana horizontal. No son compresibles y sus moléculas no se encuentran regularmente ordenadas. Las fuerzas de atracción y repulsión entre ellas están equilibradas.

Estado Sólido

SÓLIDO: Los cuerpos que se encuentran en este estado (por ejemplo el hielo o los clavos de hierro) poseen forma y volumen propio, aun en circunstancias en las que una fuerza externa tienda a deformarlos. No son compresibles y sus moléculas se encuentran en una estado de ordenación regular. Entre ellas predominan las fuerzas de atracción.

El cuarto estado de la materia: el plasma

Cuando se le entrega suficiente cantidad de energía, ya sea calor o electricidad, las partículas de gas pueden perder algunos electrones y queda un conjunto de cargas positivas. Es decir, estamos en presencia de un gas ionizado (en este caso, cationes). A este estado se lo llama plasma y conforma el 99% de toda la materia conocida. Descubramos juntos por qué.

Estados de la materia: El sol es una bola de plasma.
El Sol, una gran bola de plasma formado por Hidrógeno y Helio.

Las estrellas en el universo están hechas de plasma.

¿De chico pensabas que las estrellas estaban hechas de fuego? Pues nada más alejado a la realidad que ello, pues el fuego no existe sin oxígeno. Y como no hay O2 en el espacio, pues no hay fuego. ¿Entonces? Todas las estrellas del universo, incluido, por supuesto, nuestro Sol, son gigantescas bolas de gas ionizado, es decir, de plasma.

El Sol, formado principalmente por hidrógeno, presenta reacciones nucleares en su interior que generan una enorme cantidad de energía e ionizan a los átomos que conforman la estrella. Puedes ver cómo se genera esta energía y qué partículas componen al plasma solar en nuestro artículo sobre generación natural de la energía.

Las pantallas de televisión pueden estar hechas de plasma.

Las pantallas de plasma tienen una mezcla de gases inertes (también llamados gases nobles, como el neón y el xenón) que, cuando los atraviesa una corriente eléctrica, realizan un pasaje de estado desde el gaseoso al plasmástico. Al estar en estado de plasma, emiten luz de color y puede ser utilizada en televisores o monitores de computadora, aunque su tiempo de vida útil suele ser menor a las pantallas convencionales de LED o LCD.

Los tubos fluorescentes y el alumbrado público también están formados por plasma.

Los tubos fluorescentes que seguro habrás visto en tu casa, colegio o universidad tienen una pequeña cantidad de vapor de mercurio y un gas inerte que. generalmente, suele ser argón. Nuevamente, como sucede con los televisores de plasma, se encienden cuando los atraviesa una corriente eléctrica, ionizándose el mercurio y emitiendo luz. De esta misma manera, los carteles de neón y el alumbrado público también están compuestos de plasma.

El fuego es plasma

El fuego también está hecho de plasma, aunque su temperatura es un poco más baja que la de los demás ejemplos dados en este artículo. Las moléculas del aire se ionizan por el calor generado en las reacción exotérmica de la vela o mechero, dando lugar a la flama que observamos.

Los rayos están hechos de plasma

Los relámpagos, esas descargas eléctricas que cruzan la atmósfera ionizando momentáneamente el aire circundante, están hecho de plasma. La ionización del aire provoca una gran emisión de luz.

Estados de la materia: los rayos son plasma.
Los rayos ocurren cuando se crea una acumulación suficiente de cargas eléctricas diferentes en la parte interior de las nubes y el suelo.

Más información

El porta Smile and Learn en Español presenta el siguiente video sobre Estados de la Materia, disponible en: https://www.youtube.com/watch?v=ZdPhmPNgiEw

Los 6 CAMBIOS DE ESTADO más comunes que experimentan las sustancias.

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