Perez Montiel Hector Fisica General PDF

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......... Agitador ~~ Vaso de precipitados con agua Disolución de nitrato de sodio en agua a cierta temperatura Fig. 6.10 Efecto de la temperatura en el coeficiente de solubilidad de una sustancia en otra. Cuadro6.8 COEFICIENTE DESOLUBILlDADDELNITRATODESOOlOA DIFERENTES TEMPERATURAS (EXPERIMENTAl) ...

Description

.........

Agitador

~~

Vaso de precipitados con agua

Disolución de nitrato de sodio en agua a cierta temperatura

Fig. 6.10 Efecto de la temperatura en el coeficiente de solubilidad de una sustancia en otra.

Cuadro6.8 COEFICIENTE DESOLUBILlDADDELNITRATODESOOlOA DIFERENTES TEMPERATURAS (EXPERIMENTAl)

Temperatura

(OC)

I

Coeficiente de solubilidad 9 de NaN03/100

9 de H20

251

L

c- 't.~w -

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~-

. - ~.-

-~~~

Cuestionario 1. 2. 3. 4.

Defina con sus propias palabras el concepto de coeficiente de solubilidad de una sustancia en otra. ¿Por qué decimos que el coeficiente de solubilidad es una propiedad característica o intensiva de la materia? ¿Cómo varía el coeficiente de solubilidad con la temperatura? Utilice la gráfica obtenida con los datos de temperatura contra el coeficiente de solubilidad del nitrato de sodio para resolver las siguientes preguntas: a) ¿Cuál es la máxima cantidad de nitrato de sodio que se disuelve a 40 y 60°C? b) ¿Cuál es la temperatura requerida para disolver 15 g de nitrato de sodio (NaN03)? c) Si la temperatura de la disolución baja de 85 a 40°C, ¿qué cantidad de nitrato de sodio se precipita?

1. Todo lo que nos rodea es materia, sin embargo, dar una respuesta satisfactoria desde el punto de vista de la Física a la interrogante: ¿qué es la materia? aún no es posible, pues por lo pronto lo único que se conoce de la materia es su estructura. La materia es indestructible y puede ser transformada en energía. De la misma manera,. se puede crear materia a partir de energía radiante. De donde: E = mc2. Podemos decir: la materia es todo lo que existe en el Universo y se halla constituido por partículas elementales, mismas que generalmente se encuentran agrupadas en átomos y en moléculas. 2. Los constituyentes elementales de la materia son: protones, partículas cargadas de electricidad positiva; electrones, partículas cargadas con electricidad negativa; y neutrones, partículas sin carga eléctrica. 3. Un átomo es la partícula más pequeña de la materia que puede entrar en combinación química; un elemento es una sustancia que sólo contiene átomos de una misma clase; si la materia está formada por átomos de más . de una clase se trata de un compuesto o mezcla. 4. La materia se presenta en cuatro estados de agregación molecular; sólido, si la energía cinética es menor que la energía potencial; líquido, si la energía cinética y la potencial son aproximadamente iguales; gaseoso, si la energía cinética es mayor que la energía potencial; plasma, denominado cuarto. estado de la materia, es un gas altamente ionizado que se produce a temperaturas de millones de grados con lo cual la agitaéión térmica provoca .que las moléculas se rompan y los átomos pierdan sus electrones. Este estado de la materia se presenta en las estrellas como el Sol o en la explosión de bombas termonucleares.

5. Actualmente el hombre trata de obtener plasmas que por su alta temperatura provoquen las reacciones de fusión, las cuales consisten en que dos núcleos ligeros puedan vencer sus respectivas fuerzas repulsivas y se fun-

dan formando un solo núcleo más pesado con desprendimiento de ener- . gía. Sin embargo, el problema fundamental es que no se ha encontrado ningún

252

material que soporte

tan altas temperaturas.

6, Puesto qúe la materia se considera eterna, independientemente de la existencia del hombre, la Ley de la Conservación de la Materia establece: la materia no se crea ni se destruye, sólo se transforma. 7. Algunas de las propiedades generales de la materia también reciben el nombre de propiedades extensivas, ya que su valor depende de la cantidad de materia, tal es el caso de la masa, el peso, el volumen, la inercia y la energía. 8. La materia presenta propiedades generales que cualquier cuerpo posee y por lb mismo no permiten diferenciar una sustancia de otra; ejemplos de estas propiedades son: Extensión, porción de espacio ocupado por el cuerpo, también se le llama volumen. Masa, cantidad de materia que contiene un cuerpo. Peso, fuerza gravitacional que recibe la masa de un cuerpo. Inercia, oposición que presentan los cuerpos a variar su estado, ya sea de reposo o de movimiento. Energía, se define como la capacidad que tienen los cuerpos o sistemas de cuerpos para realizar un trabajo físico. Impenetrabilidad, el espacio ocupado por un cuerpo no puede ser ocupado por otro al mismo tiempo. Porosidad, espacios vacios entre las particulas de un cuerpo. Divisibilidad, la materia puede dividirse en partículas. Elasticidad, propiedad de los cuerpos para recuperar su tamaño y forma original una vez que desaparece la fuerza que ocasiona la deformación. 9. Las propiedades características de la materia también reciben el nombre de propiedades intensivas, porque su valor es independiente de la cantidad de materia. Tal es el caso de la densidad de cualquier sustancia como es el agua, en la cual su densidad será la misma para 2 cm3 que para 10 litros o cualquier otra cantidad. 10, Las propiedades características permiten identificar a una sustancia de otra. Se clasifican en: a) Propiedades características físicas, si la sustancia no cambia a otra nueva; b) Propiedades características químicas, se refieren al comportamiento de las sustancias al combinarse con otras, asi como a los cambios en su estructÚra íntima. Algunas de las propiedades caracteristicas físicas más importantes son: 1. Densidad o masa específica,se define como el cociente que resulta de dividirla masa de una sustancia dada entre el volumen que ocupa. Su expresión matemática ,

es:

e = mv

.

2. Punto de fusión, es latemperatura a la cual una sustancia sólidacomienza

,

a licuarse. A una presión determinada, cada sustancia funde y solidifica a una misma temperatura lIamada,punto de fusión. 3. Punto de ebullición, a una presión determinada, todo líquido calentado entra en ebullición a una temperatura fija que constituye su punto de ebullición. El punto de ebullición de una sustancia se eleva a medida que se eleva la presión recibida. El punto de- ebullición de una sustancia es igual a su punto de condensación. 4. Coeficiente de solubilidad de una sustancia en otra, se define como la cantidad de sustancia en gramos que satura 100 gramos de solvente a una temperatura dada. La solubilidad de 'una sustancia en otra depende de: a) la semejanza en la composición y estructura química; b) el tamaño de las partículas; c) la temperatura; d) la agitación; e) la presión si se trata de gases y líquidos. La temperatura-es el parámetro que más influye en la solubilidad de una sustancia en otra.

253

-

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11. las mezclas se obtienen cuando se unen en cualquier proporción dos o más sustancias que conservarán cada una sus propiedades físicas y químicas. Las mezclas pueden ser homogéneas si los componentes están distribuidos de manera igual, como es el caso de una mezcla de alcohol yagua; o heterogéneas en las que los componentes no están distribuidos uniformemente, tal es el caso de una mezcla de arena yagua o agua y aceite. Para separar las sustancias que forman parte de una mezcla se emplean los siguientes procedimientos: 1. Decantación, se usa para separar las partículas de sólidos insolubles en un líquido. 2. Filtración, se emplea para separar las partículas sólidas insolubles que se encuentran mezcladas en un líquido. 3. Evaporación, se usa cuando un sólido está disuelto en un líquido. 4. Centrifugación, se aplica para separar sustancias de diferente densidad, como es el caso de separar la crema de la leche, o bien, para deshidratarla. 5. Destilación fraccionada, se utiliza para separar de una mezcla varios líquidos con diferentes puntos de ebullición y debido a esta caracteristica pueden separarse de uno en uno. 6. Solubilidad y cristalización fraccionada, se emplea para separar mezclas de sólidos en sólidos cuando sus partículas están finamente divididas.

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Escribaen su cuaderno las respuestas a las siguientes preguntas. Si se le p;:l sentan dudas al responder vuelva a leer la sección correspondiente del lib~~~

I

la cual viene señalada al final de cada pregunta para su fácil localización. 1 ¿Por qué resulta dificil definir el concepto de materia? (Introducción de la

I

I

unidad 6) 2 ¿Cómo podríamos definir a la materia? (Introducción de la unidad 6) 3 ¿Cómo se relaciona ja materia con la energía? (Introducción de la unidad 6) 4, Mencione las características de los constituyentes elementales de la materia. (Sección 1) '

.

S. ¿Cuáles son los cuatro estados de agregación molecular de la materia y bajo qué circunstancias se presenta cada estado? (Sección 1) 6. Enuncie la Ley de la Conservación de la Materia. (Sección 1) 7. Explique por qué algunas de las propiedades generales de la materia reciben el nombre de propiedades extensivas. (Sección- 2) 8. Explique por qué a las propiedades características de la materia se les da el nombre de propiedades intensivas. (Sección 3) 9. ¿Qué propiedades reciben el nombre de generales? Escriba y defina corno. mínimo cuatro de ellas. ,(Sección 2) -, O. ¿Qué se entiende por prOpiedades' características de la materi~? (Sección 3) 11. Defina qué es densidad o masa específica, cuál es su fórmula y unidades en el SI. (Sección 3) .

254

1

'

[

I

12. Explique qué se entiende por punto de fusión de una sustancia. (Sección 3) 13. Explique por qué un líquido entra en ebullición. (Sección 3) 14. A qué se le llama punto de ebullición de una sustancia y cómo varía si: a) aumenta la presión, b) disminuye la presión. (Sección 3) 15. ¿Cómo se define el coeficiente de so/ubilidad de una sustancia en otra? (Sección 3) 16. ¿Qué es una solución? ¿Cuántos tipos de soluciones hay? (Sección 3) 17 ¿Qué determina la concentración de una solución? ¿Qué es una concentración saturada, sobresaturada y diluida? (Sección 3) 18. Mencione los factores que afectan la solubilidad de las sustancias. (Sección 3) 19 ¿Cómo se determina experimentalmente el coeficiente de solubilidad de una sustancia en otra? (Sección 3) 20. Explique cómo se puede trazar una curva de solubilidad. (Sección 3) 21. Cómo se interpreta una curva de solubilidad si: a) al unir los puntos se obtiene una curva recta, b) al unir los puntos se obtiene una recta vertical. (Sección 3) 22 ¿Qué es una mezcla? (Sección 4) 23. Explique cuándo se usan y en qué consisten los siguientes procedimientos para separar a las sustancias que forman parte de una mezcla: a) Decantación; b) Filtración; c) Evaporación; d) Centrifugación; e) Destilación fraccionada; f) Solubilidad y cristalización fraccionada. (Sección 4)

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Ela!;ticidad es la propiedad que poseen los cuerpos de recuperar su forma original una vez que desaparece la fuerza que ocasiona la deformación. Esto sucederá sólo si la fuerza aplicada no excede el limite elástico del cuerpo, deformándolo permanentemente. Algunos ejemplos de cuerpos elásticos 30n: resortes, ligas, bandas de hule, pelotas de tenis, pelotas de futbol y trampolines. La deformación de un cuerpo elástico es directamente proporcional a la fuerza que recibe. En otras palabras, si la fuerza aumenta, la deformación también aumenta y si la fuerza disminuye, la deformación disminuye en la misma proporción; por ello se dice que entre ellas existe una relación directa. Los sólidos tienen elasticidad de alargamiento, de esfuerzo cortante y de volumen; mientras los líquidos y gases sólo la tienen de volumen. En esta sección estudiaremos la elasticidad de alargamiento en los sólidos, a fin de conocer las tensiones y los efectos que se producen sobre alambres, varillas, barras, resortes y tendido de cables. Determinando las tensiones máximas que pueden soportar los materiales, así como las deformaciones que sufren, pueden construirse, con mucho margen de seguridad, puentes, soportes, estructuras, aparatos médicos, elevadores y grúas, entre otros.

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"

-

~~~~¡~~OyYCg~pORRE~~~ON, }' "i,;",M...':'=::,' UNITARIAS

Cuando una fuerza se aplica á un cuerpo le produce una deformación. El esfuerzo origi'la la deformación elástica. . Existen tres tipos de esfuerzo:

t

~

Esfuerzo de tensión Se presenta cuando sobre un cuerpo actúan fue'rzas de igual magnitud, pero de sentido contrario que se alejan entre sí. . Esfuerzo de. compresión" Ocurre cuando ?obre un cuerpo actúan fuerzas iguales en magnitud pero de sentid9 Gontrario que se acercan entre sí. 257

l

.

2:';: =--

Esfuerzo de corte

donde:

E

F=

Se presenta cuando sobre un cuerpo actúan fuerzas colineales de igualo diferente magnitud que se mueven en sentidos contrarios

-F-. Barras iguales

El esfuerzo longitudinal, ya sea de tensión o de compresión, se determina mediante la relación entre la fuerza aplicada a un cuerpo y el área sobre la cual actúa

=

A

=

esfuerzo longitudinal en N/m2 = pascal fuerza en newtons (N) área de sección transversal en metros cuadrados (m2)

La deformación longitudinal también llamada tensión unitaria (alargamiento de un cuerpo) o compresión unitaria (acortamiento de un cuerpo), se determina mediante la relación entre la variacion en la longitud de un cuerpo y su longitud original. O - bien, la tensión o compresión unitarias representan el alargamiento o acortamiento de un cuerpo por cada unidad de longitud Matemáticamente se expresa así: M 0=

Barras de metal

E

=

donde: O = deformación longitudinal, también lIa mada tensión o compresión unitaria (adimensional)

=

~f

variación

F A

L?

I

LEY DE HOOKE

[

",

Mientras no se exceda el limite de elastl'=ldac d8 un cuerpo, rectamente

LiJ MODULO

.,,-..

[

Módulo de elasticidad es el cociente entre el esfuerzo aplicado y la deformación producida en un cuerpo; su valor es coñstante, siempre que no exceda el límite elástico del cuerpo. También recibe el nombre de constante del resorte o coeficiente derigidez.

del cuerpo;

-

~

Las deformaciones elásticas, como alargamientos, compr~iones, torsiones y flexiones, fueron estudiadas por el físico inglés Robert Hooke (16351703), quien enunció- ~a siguiente ley:

DE ELASTICIDAD

en la longitud

puede ser alargamiento o acortamiento de la longitud, expresada en metros (m) f = longitud original del cuerpo antes de recibir un esfuerzo, expresada en metros (m)

la deformaciór elástica que sufre es diproporcional al esfuerzo recibido

-- -.. "_°__"-.

. --E

--~,-

---

Oeformación

W

P=20g

9

E,-E

9

D~D

.J.O

MODULO

Fig. 7.1 Con un resorte y una regla, como se aprecia en la figura, se comprueba la Ley de Hooke. Al poner una pesa de 20 el resorte se estirará 1 cm, pero si la pesa se cambia 'por una de 40 el resorte se estirará 2 cm.

. '0', -..

DE YOUNG {

Cuando en el módulo de elasticidad se sustituyen las ecuaciones del esfuerzo y la deformación, se obtiene el llamadomódulo de Young (Y). De donde: F

... ..."~." o

...",

",.

il

El módulo de Young es una ristica d'e las slJstanGÍ'3ssalidas '(cuadro 7.1). Conocer su valor nos permitirá calcular lacLfornvlclón quE' S ,fr.' ~ ur¡ cl/erpo

di sr Y'p,~ 'jt) d u

esf,

rL .

F ,

l'

,CC

tUl

..'>1

l. 5:!1 LIMITE ELASTICO[' Límite elástico es el esfuerzo máximo que un cuerpo puede resistir sin perder sus propieda,des elásticas

Fm Le = A

259

,;.. z .."..h,

'"

'

......

-

~

"

'-~

" ~"

",..,.,..,~.

-

-...

..

donde:

Le

Fm A

=

límite elástico en N/m2

Datos

=

fuerza máxima en newtons (N) transversal en metros cuadrados (m2)

Fórmulas .1f = f f - f i

f = 0.2 m

D=-

= área de la sección

M f

ff=0.12m D = ?

¡¡

Cuadro 7.1 MODULCfDE YOUNG PARA ALGUNOS. MA TERIAf.ES Módulo de Material Aluminio

en lámina

Acero templado Latón Cobre Hierro Oro

Límite elástico (Le) N/m2

Young (y) N/m2 7 20 9 12.5 8.9 8

x x x x x x

1010 1010 1010 1010 1010 1010

1.4 5 3.8 1.6 1.7

x X x X X

10S 108 10S 108 108

Sustitución y resultado M = 0.12 m - 0.2 m = -0.08 --0.08 m

D =

0.2 m

m

= -0.4

Nota: El signo (-) indica acortamiento longitud.

en la

3. El módulo de elasticidad de un resorte es igual a 120 N/m. ¿C'Jál será su deformación al recibir un esfuerzo de 8 N?

RESOLUCION DE PROBLEMAS DE LA LEY DE HOOKE y MODULO DE YOUNG

1. Una barra metálica de 2 m de largo recibe una fuerza que le provoca un alargamiento o variación en su longitud de 0.3 cm. ¿Cuál es el valor de la tensión unitaria o deformación lineal? Datos f = 2 m

Datos

Fórmula

K = 120 N/m

E E K = - .'. D = D K

D = ? E=8N Sustitución y resultado 8N D= = 0.066 m 120 N/m

Fórmula D=-

M f

~t = 0.3 cm = 3 x 103m D = 7

4. Calcular el módulo de elasticidad de un resorte, al cual se le aplica un esfúerzo de 600 N Yse deforma 20 cm. Datos K

Sustitución y resultado 3 x 103 m D= = 1.5 x 10 3 2m

?

Fórmula

K =

~D

E = 600 N

D = 20 cm = 0.2 m 2. Un resorte de 0.2 m de longitud es comprimido por una fuerza queJo acorta a 0.12 m. Calcular el valor de la compresión unitaria o deformación

lineal.

-

Sustitución y resultado 600 N K = = 3000 N/m 0.2 m

260. ,d~(jjJ

5. Calcular .Ia fuerza máxima que puede soportar una varillade acero templado si el área de su sección transversa! es de 3 cm2. Datos

Fórmula

Fm = ?

Le = -

=

3 cm2 x

(100 cm)2 = 1 x 1()4cm2

1 x 104 cm2

7. Un alambre de acero templado de 3 mm de diá. metro soporta un peso de 250 N. Calcular: a) ¿Qué esfuerzo de tensión soporta? b) ¿Cuál es el peso máximo que puede resistir sin exceder su límite elástico?