1

¿Se pueden contrastar las hipótesis sin realizar experimentos? Solución: Hubo una época en que las hipótesis se contrastaban buscando información a partir de los escritos y opiniones de los sabios de la Antigüedad. Sin embargo hoy día las hipótesis se contrastan solamente de forma experimental.

2

Colgando sucesivas masas de un muelle se han obtenido los siguientes resultados: Alargamiento (cm) Masa colgante (g)

2 10

3 15

4 20

5 25

6 30

Aplicar las etapas del método científico al ejemplo dado y explicarlas. Solución: El planteamiento del problema parte de una observación elemental: el alargamiento de un resorte aumenta a medida que aumenta la masa que pende de él. Eso nos permite enunciar varias hipótesis: - La masa es proporcional al alargamiento provocado, según una relación lineal. - La masa es proporcional al cuadrado de los alargamientos. - Hay una relación entre masa y alargamiento pero no sigue una ley. Para validar alguna de las hipótesis se han tomado medidas de las que resulta el cuadro dado en el problema. Entre la realización de experiencias (con la consiguiente toma de datos) y el enunciado de una ley científica hay que realizar una tarea de análisis y tratamiento de los datos, a fin de establecer relaciones entre las variables. En este caso la simple elaboración de una tabla permite establecer una relación a simple vista dado que la segunda fila de datos se obtiene multiplicando la primera por 5, pero por lo general el siguiente paso es la elaboración de gráficas. A partir de las tablas y gráficas se establece una ley que se expresa usando el lenguaje matemático, en forma de ecuación. En nuestro caso, la hipótesis válida sería la primera. 3

Justifica si la siguiente frase es correcta o no: “La aplicación del método científico es la única forma de que la ciencia avance”. Solución: La frase es incorrecta. A lo largo de la historia se han producido una gran cantidad de descubrimientos debidos únicamente al azar. Con ello no queremos decir que los avances científicos haya que dejarlos en manos de la casualidad, sin embargo como hemos visto no solo el método científico aporta soluciones.

4

Definir “hipótesis científica” y señalar sus características más importantes. Solución: En ciencia se llama hipótesis a toda conjetura o supuesto verosímil (sin contradicciones evidentes, susceptible de ser contrastada).Se caracteriza porque: - La verificación o la demostración de la falsedad de la hipótesis ha de hacerse por vía experimental. - Se puede poner en cuestión toda o parte de la hipótesis estudiada. - No siempre se puede contrastar directamente una hipótesis, por lo que se recurre a verificar otras consecuencias indirectas derivadas de ella. - La verificación experimental requiere un lenguaje específico hecho de medidas, unidades y variables relacionadas mediante expresiones matemáticas.

5

La observación experimental permite plantear hipótesis que luego deben ser confirmadas o refutadas mediante sucesivas experiencias. Se describen a continuación algunos experimentos. Plantear, de manera razonada, una hipótesis verosímil: a) En el anillo de Gravesande, cuando calentamos la bola pero no el anillo, la bola no puede pasar por el orificio.

b) Al colocar un globo poco hinchado encima de un radiador, aumenta considerablemente su tamaño. c) Pesamos por separado un trozo de aspirina efervescente y un tubo de ensayo con agua. Añadimos el trozo de aspirina y dejamos que se disuelva antes de volver a pesar. Si el tuyo de ensayo estaba abierto, la masa final es menor. Si estaba cerrado con un tapón, la masa final es la misma. Solución: a) Podemos establecer una primera hipótesis sencilla: "Al aumentar la temperatura, las sustancias aumentan su volumen". Para asegurar la ley que relaciona dichas variables, hace falta diseñar otros experimentos. b) Puesto que las variables que sufren variación son la presión y temperatura, podemos decir que: "Al aumentar la temperatura de un gas, aumenta su volumen." Esta hipótesis, sin embargo, es sólo una primera aproximación a una ley científica: es preciso realizar experiencias que nos dirían que ello se cumple cuando no se modifica la presión. Y aún restaría por hallar la ley que relaciona dichas variables. c) El ensayo nos remite a una conocida ley de la química conocida como Ley de Conservación de la masa o Ley de Lavoisier, y la clave está en la diferencia observada entre el hecho de que el tubo esté abierto o no, ya que si lo está escapa masa en forma de gas. De donde concluimos: "En todo experimento químico que tiene lugar en un recipiente cerrado, la masa se conserva." 6

Indicar la fase del método científico a la que pertenece cada uno de estos hechos o enunciados: a) Medir el tiempo de caída de una bola por un plano. b) Suponer que la luna no tiene luz propia sino que refleja la luz solar. c) Observar las estrellas de la Osa Menor. d) Buscar en un libro de física el significado de la palabra dispersión. e) Representar gráficamente la presión de un gas frente al volumen que ocupa. Solución: a) Se refiere a la fase experimental de toma de datos con el fin de verificar una teoría. b) Se trata de una hipótesis que enunciamos basada en apoyo documental, sin necesidad de un refrendo experimental. c) Sería la primera fase del método científico: observación de la realidad. d) No corresponde propiamente a una etapa sino a todas ellas: generalmente será más propia de una etapa inicial de asesoramiento, definición y planteamiento del problema. e) Se refiere al tratamiento de resultados que sigue a la fase experimental, puede ayudar a confirmar o rechazar una hipótesis, puede proporcionarnos una relación entre variables, una ley general... Debe quedar claro que no siempre las acciones son exclusivas de una etapa, ni las etapas del método científico se suceden en el mismo orden

7

Las siguientes palabras se refieren a distintos aspectos de la “realidad”: coche, dolor, alegría, silla, azul. Explicar las diferencias y clasificarlas al menos en dos categorías. Solución: La primera clasificación y la más sencilla sería: - dolor, alegría: forman parte de una “realidad que no se ve”. Podemos sentirla y afecta al dominio de las emociones, pero no podemos medirla. Se podría también titular: “realidad que no se puede medir”. - coche, silla, azul: forman parte de una “realidad que se ve”. Su característica fundamental es que pueden

describirse mediante propiedades que se pueden medir: masa, volumen, longitud de onda... Es una “realidad que se puede medir”. 8

¿De qué manera procede el método científico para contrastar una hipótesis? Solución: Las hipótesis se confirman o rechazan por medio de experiencias, cuyos pasos se pueden resumir aproximadamente en: - Se diseñan dispositivos y experimentos que permitan obtener medidas. - Se definen las variables que intervienen en el proceso. - Se realizan experimentos y se anotan y tabulan los resultados. - Se analizan y representan estos. - Se extraen conclusiones a favor o en contra de la hipótesis de partida.

9

En una conversación entre amigos, uno dice: “Mira que tengo mala suerte, cada vez que voy al campo a pasar el día, llueve” ¿Que partes del método científica se salta? Solución: El señor está estableciendo una ley prácticamente desde la observación del problema. Se ha dado cuenta de que en algunas ocasiones al salir al campo llueve y establece una hipótesis que sin ser contrastada, la convierte en una ley. Lo que debería hacer es simplemente repetir el experimento consistente en ir al campo en varias ocasiones para comprobar que no se cumple siempre.

10 ¿Por qué se dice que el método científico es propio de las ciencias experimentales? ¿En qué se basa? Solución: Significa que es un método propio de aquellas ramas del saber cuyo punto de partida sean los hechos observables y que se pueden medir. Sin un experimento que permita tomar medidas a partir de las cuales se puedan analizar regularidades, y enunciar reglas y leyes, no hay propiamente método científico. Desde luego su base fundamental es la medida, la cual requiere experimentación. 11 ¿Qué significa que la ciencia es empírica? Proponer ejemplos de magnitudes que sean propias del método científico. Solución: “Empírico” significa que tiene como base la experimentación, que se apoya en hechos experimentales. Se puede aplicar el método científico a toda realidad que se pueda medir, la cual se expresa en magnitudes tales como: fuerza, volumen, campo eléctrico, calor, color, etc. 12 De los siguientes calificativos, ¿cuál o cuáles crees que son aplicables al método científico?: subjetivo, refutable, especulativo, universal. Solución: El método científico es objetivo (no depende del observador), universal (sus resultados son válidos para todos y en todas partes) y refutable (sus teorías pueden validarse o refutarse mediante experiencias). Por lo tanto no es subjetivo ni es especulativo, lo cual es propio de otras áreas del conocimiento que prescinden de la experimentación natural. 13 Los dos primeros pasos en la resolución de un problema científico concreto han sido los siguientes: a) Queremos saber si la velocidad a la que caen libremente los objetos depende de la masa de los mismos. b) Basándonos en nuestra propia intuición proponemos la siguiente hipótesis: “Un objeto muy pesado caerá más deprisa que un objeto liviano”. ¿Qué pasos seguirías para confirmar esa hipótesis? Solución: El problema ha quedado delimitado y la hipótesis, aunque acepta matizaciones tales como: volumen del objeto, presencia de aire..., es aproximadamente verificable de este modo: Paso c) Verificación o demostración de la falsedad de la hipótesis:

Tomamos un gran bloque de plastelina y lo partimos en pedazos de masa “m”, “2m”, “3m”... los cuales amasamos para darles forma esférica. Seguidamente, un compañero se sube a la azotea del colegio y otro queda en el patio observando. Se lanzan simultáneamente las bolas de masa “m” y “2m” y se comprueba que llegan al suelo a la vez. Se repite la experiencia con masas “m” y “3m”, el resultado es idéntico. Se toma una bola de plomo y se pega a un trozo de masilla para comprobar si “tira” hacia abajo de él. El resultado no es el pensado, sino que vuelven a llegar al suelo a la vez. d) Corregimos nuestra hipótesis de partida y la retocamos para establecer la siguiente ley: “La velocidad de caída libre de los cuerpos no depende de su masa”. e) El paso siguiente consistiría en aplicar la ley anterior a otras situaciones más extremas, por ejemplo: dejamos caer masas iguales de distinto tamaño, tal como un folio doblado en dos, cuatro, ocho trozos, arrugado en una bola... e intentamos matizar la validez de la ley en presencia de atmósfera, etc. 14 A partir de la observación de los hechos siguientes: a) Se observa el arco iris en un día de lluvia. b) Un aspersor de riego, en un día soleado, deja ver igualmente un arco iris. c) Al observar al trasluz un disco compacto, se ven dibujados los colores del arco iris. d) Al hacer incidir un rayo de luz sobre un prisma de vidrio, y recogerlo sobre una pantalla, se ven también los colores del arco iris. Un alumno quiere saber si la ley física que está detrás de estos fenómenos puede explicarse mediante la reflexión o la refracción. Detallar los pasos que debe seguir y relacionarlos con el método científico. Solución: a) Observación de fenómenos: el alumno debe tratar de observar por sí mismo, si no lo ha hecho, los fenómenos que se citan, anotando todo cuanto vea: colores, orden de los mismos, etc. b) Trabajo bibliográfico y de consulta: necesita establecer con precisión la diferencia entre reflexión y refracción. c) Casi puede descartar la idea de la reflexión, pero el experimento del CD le hace dudar. Diseña experimentos para intentar reproducir el fenómeno con espejos, pero no lo consigue. Definitivamente cree que la explicación será debida a la refracción, definida como: desviación que experimenta un rayo luminoso al pasar de un medio a otro. d) Verificación de hipótesis: intenta reproducir algún experimento, por ejemplo: Se dispone un matraz con agua y frente a él una pantalla. En una habitación oscura se ilumina el matraz con una linterna de modo que en la pantalla aparecen los colores del arco iris. La conclusión es evidente: la luz, al atravesar las sustancias, sufre refracción. Si la desviación sufrida es distinta para cada color, a la salida se muestran por separado. Las leyes de la reflexión requieren experimentos posteriores, pero pueden establecerse del mismo modo. 15 Después de analizar los resultados de todos los partidos de fútbol que han enfrentado al Betis y al Sevilla, un aficionado hace la siguiente predicción: "Es muy probable que el domingo que viene el Betis gane al Sevilla" Razonar si este aficionado ha seguido los pasos del método científico. Solución: El primer paso, observación de un fenómeno y documentación, puede inducirnos a pensar que se trata de una afirmación de índole científica, porque, en efecto, el aficionado hace un estudio que se apoya en herramientas matemáticas, saca estadísticas y se apoya en ellas para llegar a conclusiones. Fallan todos los pasos a partir de ahí: - En primer lugar no se dispone de la posibilidad de experimentar un fenómeno que sea reproducible en el laboratorio. - Tampoco existen variables que lo estudien ni, en consecuencia, podemos relacionarlas. - La hipótesis que enuncia el aficionado no responde a las características de una hipótesis científica: no es mensurable. Al igual que otras manifestaciones similares, se trata de análisis pseudocientíficos cuyas conclusiones no se pueden demostrar. 16 Se han observado los siguientes fenómenos naturales:

• • • •

Se observa el arco iris en un día de lluvia. Un aspersor de riego, en un día soleado, deja ver igualmente un arco iris. Al observar al trasluz un disco CD, se ven dibujados los colores del arco iris. Al hacer incidir un rayo de luz sobre un prisma de vidrio, y al recogerlo sobre una pantalla, se ven también los colores del arco iris. a) Relacionar los fenómenos. b) ¿Se puede establecer una ley a partir de ello? ¿Y una hipótesis? ¿Cuál? Solución: Todos los fenómenos tienen que ver con el hecho de que, a veces, la luz blanca natural se descompone en diversos colores, que llamamos arco iris o espectro de la luz blanca. Se observan regularidades, que nos hacen pensar que tanto el CD como las gotas de lluvia se comportan del mismo modo que el prisma de vidrio. No es posible establecer una ley únicamente a partir de la observación de los fenómenos, pero sí varias hipótesis plausibles, como son: 1ª La luz blanca está constituida por diversos componentes que llamamos colores del arco iris. 2ª La luz blanca se descompone en sus colores cuando atraviesa ciertas sustancias transparentes. 3ª La suma de los colores que constituyen el arco iris da como resultado el color blanco. 4ª Los colores que componen el arco iris se suceden siempre en el mismo orden. Cualquiera de dichas hipótesis son suficientemente razonables para aceptarlas como tales, pero todas ellas necesitarían una comprobación ulterior. 17 Al dar la medida de una habitación de 20 m nos hemos equivocado en 1 m. Al estimar el radio de la Tierra 6 (cuyo valor exacto es de 6370 km) hemos dado 6,38 · 10 m. Comparar los errores absolutos y relativos y decir qué estimación es más precisa.

Solución: En la habitación el error absoluto es de 1 m y el error relativo será: 1/20 Al calcular el radio de la Tierra, el error absoluto es mayor, exactamente 10 km. Pero el error relativo vale: 10/6380 = 1/638. Es decir, la imprecisión es mucho menor en este segundo caso. 18 Se ha medido la longitud de onda de la luz amarilla emitida por átomos de sodio, obteniéndose los siguientes valores en nanómetros: 590, 591, 590, 588, 590, 591, 589, 588, 587 Hallar su valor más probable y las incertidumbres absoluta y relativa de la última medida. Solución: Podemos tomar como valor más probable el valor medio de las medidas: 590 + 591 + 590 + 588 + 590 + 591 + 589 + 588 + 587 = 589,3 nm 9 El error absoluto de la última medida es: 589,3 - 587 = 2,3 nm Y el error relativo: 2,3/589,3 = 0,004 Se puede expresar como 0,4% 19 Localizar la afirmación correcta: a) La longitud, la masa y la fuerza son magnitudes fundamentales. b) En el S.I. las longitudes se miden en Km. c) La superficie y la velocidad se consideran magnitudes derivadas. d) La unidad de longitud en el S.I. se sigue definiendo en función de un patrón guardado en París. Solución: La respuesta correcta es la c). 20 Indica cuales de las siguientes afirmaciones son correctas:

a) La masa, el tiempo y la longitud pertenecen al sistema métrico decimal b) Cuando las unidades son muy grandes se utilizan los múltiplos c) Las unidades de tiempo y espacio no se pueden separar desde el nacimiento de Einstein d) La unidad de cantidad de sustancia es el kilogramo Solución: La única solución correcta es la b. 21 Localizar la afirmación correcta: a) La unidad de tiempo en el S.I. es el minuto. -9 b) 1 µg equivale a 10 kg. -10 c) Si 1 Å = 10 m, entonces 9 nm = 0,9 Å. d) La temperatura en el S.I. se mide en °C.

Solución: La respuesta correcta es la b). 22 Un coche se desplaza a 85 km/h. Expresar esa velocidad en unidades del S.I. Solución: Transformamos cada unidad por separado, teniendo en cuenta cuál se encuentra en el numerador y cuál en el denominador: km 1000m 1h 85 · · = 23,6 m / s h 1km 3600 s

23 Decir si los siguientes enunciados son correctos y poner ejemplos: a) "Los ceros que aparecen a la derecha de la coma no se consideran cifras significativas." b) "Los ceros del principio de un número no se consideran cifras significativas." Solución: a) Es falso; los ceros a la derecha de la coma sí que son significativos. A veces expresan la exactitud de una medida. Ej.: 23,00 g, indica que la balanza mide la centésima. b) Es correcto. En el número 0,02 se considera que los dos primeros números no son significativos. Esto se ve -2 fácilmente expresándolo como 2·10 24 Tomando valores de tiempo en el laboratorio para los tiempos de caída de una bola, han resultado los siguientes valores en segundos: 2,1 2,3 2,4 2,8 2,3 2,6 2,9 a) ¿Puede ocurrir que el valor más probable no sea ninguno de estos valores? b) Calcular el valor más probable y hallar, prescindiendo del signo, los valores de todas las incertidumbres absolutas y su media. Solución: a) En efecto, puede ocurrir que el valor más probable no coincida con ninguno de ellos dado que la dispersión de las medidas por causas fortuitas puede arrojar un valor central medio distinto de todos. Veamos: b) Tomamos el valor medio como valor más probable y obtenemos: 2,1 + 2,3 + 2,4 + 2,8 + 2,3 + 2,6 + 2,9 = 2,48 s 7 Podemos redondear a 2,5 ± 0,1 s. Efectivamente, no coincide con ninguno de los valores experimentales. Las incertidumbres absolutas se obtienen restando este valor de cada una de las medidas. Si prescindimos de su signo, queda: 0,4 0,2 0,1 0,3 0,2 0,1 0,4 (todos ellos en segundos) Y el valor medio de todas estas desviaciones será:

0,4 + 0,2 + 0,1 + 0,3 + 0,2 + 0,1 + 0,4 = 0,24 s 7 Redondeamos como 0,2 s. 25 Completar el esquema con los nombres apropiados:

¿Dónde debemos colocar la sublimación? Solución: El esquema es el de los cambios de estado:

Falta el cambio de estado directo de sólido a gas y viceversa, ambos reciben el nombre de sublimación, aunque a veces se distingue entre sublimación progresiva y regresiva. 26 El amoniaco a presión atmosférica es un gas. ¿Qué podríamos hacer para que licue? Solución: La primera posibilidad es, manteniendo la presión atmosférica, bajar mucho la temperatura. Habría que bajarla hasta 78ºC bajo cero. Otra posibilidad es someterlo a mayores presiones para facilitar su licuación. Es lo que se hace con las bombonas de butano, oxígeno, etc. 27 De los siguientes procesos, sólo uno corresponde a los cambios de estado; explicarlo. ¿En qué dirección aumenta la temperatura?

Solución: Se representan moléculas de agua que, al aumentar su movilidad, pasan de un estado a otro. En el primer dibujo, la sustancia parece tener forma propia, por lo que corresponde al estado sólido. Aplicamos calor de izquierda a derecha, de modo que el segundo gráfico corresponde a las moléculas de agua líquida: adquieren la forma del recipiente pero siguen ligadas las unas a las otras. A partir de ahí sólo el dibujo inferior se corresponde con el proceso de vaporización. Las moléculas de agua pasan a fase gaseosa pero siguen siendo agua. No así en el gráfico superior. Se dice que la flecha superior corresponde a un cambio químico y la inferior es un cambio físico. 28 Se echan unos trozos de hielo a un vaso de agua y se deja un rato. ¿Cuál será la temperatura de equilibrio? A continuación se inicia el calentamiento a un ritmo constante y se va anotando la temperatura, obteniéndose la tabla siguiente:

Temperatura ºC Tiempo (min)

0 0

0 2

5 3

8 4

30 6

60 8

90 10

95 11

100 12

100 13

Representar la temperatura frente al tiempo y explicar la gráfica resultante. Solución: na vez alcanzado el equilibro, la temperatura de agua líquida + hielo, será de 0ºC. En ese punto se inicia el calentamiento. La representación es la siguiente:

Los primeros dos minutos se emplean en fundir todo el hielo y sólo después del minuto 3 la temperatura empieza a subir. Se comporta linealmente muy bien hasta los 90ºC para iniciar un aproximación irregular a 100ºC. En ese punto tiene lugar la ebullición, por lo que la temperatura se mantendrá mientras quede líquido. 29 La tabla siguiente muestra los tiempos de calentamiento de una muestra de cera y las consiguientes temperaturas que adquiere.

Temperatura ºC Tiempo (min)

30 0

50 2

50 4

50 6

100 8

150 10

200 12

200 14

200 16

245 18

a) Representar la temperatura frente al tiempo en minutos. b) ¿Cuál es la temperatura de fusión y de ebullición de esta cera? c) ¿Qué significan los tramos horizontales? Solución: a) La gráfica es la siguiente:

De la gráfica se deduce que la temperatura de fusión es de 50ºC y la de ebullición es de 200ºC. b) Los tramos horizontales son aquellos en los que la cera absorbe calor y lo emplea en cambiar de estado, con lo que no se ve modificada su temperatura. La cantidad de calor que hay que suministrar a un gramo de sustancia para que cambie de estado se llama calor latente (de fusión o de vaporización). 30 Localizar la afirmación correcta: a) Los cambios de estado progresivos son: fusión, condensación y sublimación b) Los cambios de estado regresivos son: solidificación, vaporización y sublimación. c) Si cambia la temperatura o la presión, cambian las fuerzas de cohesión entre las partículas. d) Las condiciones de presión y temperatura determinan el volumen de un cuerpo, pero no el estado en que se encuentra. Solución: La respuesta correcta es la c).

31 a) La siguiente gráfica explica los cambios de estado correspondientes al agua. Explicarla. Temperatura (°C)

vapor agua+vapor

80 60 agua

40 20 0 –10 Hielo

hielo+agua

tiempo (min)

b) Comparar dicha gráfica con la del benceno (t.f. = 5,5ºC; t.e. = 80,1ºC a 1 atmósfera). Solución: a) Según se ve en la gráfica, la muestra se encuentra a unos - 12ºC y a medida que se calienta va aumentando la temperatura. Cuando llega a 0ºC coexisten hielo y agua, de modo que mientras se comunica calor, éste se emplea en fundir el hielo (calor latente de fusión). Una vez fundido todo, el calor sigue haciendo que la temperatura aumente de manera lineal hasta los 100ºC. Allí vuelve a ocurrir lo mismo que en el anterior cambio de estado: se mantienen los 100ºC mientras quede algo de líquido que evaporar. Una vez todo en fase gaseosa, sigue aumentando la temperatura al calentar. b) El comportamiento del benceno sería idéntico sólo que con los cambios de estado en otros puntos. Quedaría así:

32 Localizar la afirmación correcta: a) Condensación es el paso de líquido a gas. b) Vaporización es el paso de sólido a gas. c) Sublimación es el paso de gas a sólido. d) Fusión es el paso de líquido a sólido. Solución: La respuesta correcta es la c). 33 En la columna de la izquierda se dan algunas afirmaciones que se corresponden con uno de los tres estados de agregación que aparecen a la derecha. Unir con flechas las afirmaciones con su estado correspondiente (uno o más de uno). 1. Tienen forma propia. SÓLIDOS 2. Fluyen con facilidad.

3. Se expande con mucha facilidad. 4. Difíciles de comprimir. 5. Su densidad varía con la temperatura. 6. Su volumen es fijo.

LÍQUIDOS GASES

7. Ocupa el volumen del recipiente. ¿Hay alguna propiedad que pueda aplicarse a los tres estados? Explicarlo. Solución: Algunas propiedades hacen referencia, en efecto, a varios estados: 1. Se refiere sólo a los sólidos. 2. Puede ser tanto de sólidos como de gases. 3. Sólo para gases. 4. Pude describir a sólidos y líquidos. 5. Esta sería la propiedad a que se refiere el apartado b). En realidad, los cambios bruscos se dan en los gases, pero hablando con propiedad todas las sustancias modifican su volumen con la temperatura, aunque sea muy ligeramente. Por tanto, la densidad siempre depende de la temperatura. 6. Tienen volumen fijo los sólidos y líquidos (esto es aproximado, como se indica en el punto anterior). 7. Sólo los gases ocupan todo el volumen del recipiente. 34 Una jeringa contiene cierta cantidad de aire en su interior. A continuación la introducimos en agua muy fría y se observa que el émbolo desciende hasta donde marca el dibujo. a) Representa gráficamente la situación de las moléculas de gas dentro de la jeringa. b) De las variables siguientes, justifica cuáles crees que se han visto modificadas y cuáles no: • masa de gas • volumen de gas • densidad del gas • temperatura • presión

Solución: a) Las moléculas de gas se encuentran a mayores distancias en el primer caso, y tienen mayor energía cinética media. La representación sería:

b) Veamos lo que ocurre con las variables propias del gas: • masa de gas: se mantiene constante en todos los procesos. • volumen de gas: sufre una clara disminución. • densidad del gas: definida como masa por unidad de volumen, al disminuir éste, la densidad aumenta. • temperatura: como indica el enunciado, es menor en el baño de agua fría. presión: puesto que el émbolo de la jeringa se encuentra sometido a la presión atmosférica y no sufre ningún empuje externo, se mantiene constante. El gas se ha comprimido debido al cambio de temperatura. 35 Enjuiciar la afirmación siguiente: "Las propiedades generales de las sustancias se modifican en los cambios de estado, pero las propiedades específicas no". Poner ejemplos para razonar la respuesta. Solución: La afirmación carece de sentido. Y habría que diferenciar dos tipos de propiedades: - Aquellas que pueden referirse a todos los estados: de ellas sólo la masa permanece siempre inalterable. El

volumen es, en efecto, aplicable a cualquier estado, todos tienen volumen, pero no se mantiene constante sino que se modifica de un estado a otro. En consecuencia también se modifica la densidad. Y de esas tres, la masa y el volumen se llaman propiedades generales porque no permiten diferenciar qué tipo de sustancia constituyen el material. Y la densidad se llama específica por lo contrario. - En otro orden de razonamiento están las propiedades que ni siquiera son asociables a los tres estados sino diferenciadas según el estado, por ejemplo la difusión (gases) viscosidad (líquidos), dureza (sólidos), etc. 36 ¿Cuales de las siguientes afirmaciones son correctas? Razona las respuestas. a) La materia en cualquier estado tiene masa b) La materia en cualquier estado tiene volumen fijo c) La materia en cualquier estado tiene forma propia d) La materia en cualquier estado ocupa un lugar en el espacio Solución: Son verdaderas la a) y la d), ya que la materia siempre tiene un soporte físico, y por tanto tiene masa y ocupa un lugar. No es cierta la b) ya que los gases modifican su volumen para adaptarse al del recipiente. Tampoco es cierta la c), ya que los gases y los líquidos modifican su forma par adaptarse al recipiente que los contiene 37 Al destapar un frasco de perfume, el aroma se extiende por toda la habitación. ¿A qué es debido? ¿Cómo llamarías a ese comportamiento? Solución: Se pueden distinguir dos pasos: - En primer lugar, el incesante movimiento de las partículas en la superficie de un líquido hace que muchas de ellas pasen a fase gaseosa. Si el líquido es muy volátil, esto ocurre con más facilidad. Este proceso se conoce como evaporación. - En segundo lugar, la propiedad fundamental de los gases es que tienden a ocupar todo el volumen disponible del recipiente; por tanto, una vez en fase gaseosa, las partículas de perfume se extienden por la habitación. A este fenómeno le llamamos difusión. 38 a) Definir lo que se entiende por calor latente de fusión. b) Si el calor latente de fusión del agua es 334,4 J/g. ¿Cuánta energía hará falta comunicar para fundir un 3 cubito de hielo de 1,5 cm de arista y densidad 0,9 g/cm ?

Solución: a) Llamamos calor latente a la energía comunicada en los tramos horizontales de la curva de cambios de estado. Se emplea en cambiar de estado y no modifica la temperatura. 3 3 b) Calculamos primero el volumen del cubito: V = 1,5 = 3,4 cm . Y a partir de ahí su masa: m = V · d = 3,4 · 0,9 = 3,1 g. La energía necesaria para fundirlo será: 3,1 g · 334,4 J/g = 1036,6 J.

39 Localizar la afirmación correcta: a) La temperatura de fusión de una sustancia es igual a la de condensación. b) La temperatura de ebullición de una sustancia es igual a la de solidificación. c) La masa de una sustancia no se modifica en un cambio de estado. d) El volumen de una sustancia no se modifica en un cambio de estado. Solución: La respuesta correcta es la c). 40 a) Relacionar las propiedades de los sistemas materiales (a la izquierda) con el estado de agregación al que pueden hacer referencia. 1. Viscosidad SÓLIDOS 2. Fragilidad

3. Dureza 4. Difusión

LÍQUIDOS

5. Elasticidad 6. Tensión superficial

GASES

7. Dilatación

b) ¿Podríamos hablar de la tenacidad de un líquido? Solución: a) Algunas propiedades pueden asociarse a varios estados, otras son exclusivas de uno y carece de sentido referirlas a los demás: 1, 6. La viscosidad y la tensión superficial se asocian al estado líquido. 2, 3, 5. Las tres propiedades son exclusivas de los sólidos. 4. La difusión es característica de los gases. 7. La dilatación puede referirse a todos ellos. b) No tiene sentido hablar de tenacidad para referirla a un líquido, ya que se trata de la resistencia que opone un SÓLIDO a la torsión, a ser roto, convertido en hilos, estirado, etc. 41 El erlenmeyer está lleno de líquido. ¿Qué ocurre cuando se calienta? ¿A qué es debido? ¿Ocurre lo mismo con los gases?

Solución: Cuando se le comunica energía al líquido, las partículas del mismo aumentan su movimiento de agitación y aumentan también los espacios entre ellas. En consecuencia aumenta el volumen, decimos que el líquido se dilata y el nivel subirá en el tubo capilar:

A los gases les ocurre lo mismo pero de manera más notoria aún, ya que las fuerzas de cohesión entre ellos son menores. 42 Localizar la afirmación correcta: a) La conductividad es una propiedad común a todos los estados de agregación. b) Los sólidos se dilatan más que los líquidos y éstos más que los gases. c) La tensión superficial es un fenómeno característico de las superficies de los sólidos. d) La maleabilidad es la capacidad que ofrecen algunos sólidos de ser convertidos en láminas. Solución: La respuesta correcta es la d). 43 a) El gráfico corresponde a un sólido a 20ºC, 200ºC y - 30ºC. Colocar la temperatura debajo de cada gráfico y explicar lo que ocurre.

3

b) Si la densidad a - 30ºC es igual a 4,8 g/cm y al pasar a 200ºC aumenta un 12% su tamaño, ¿cuál será el nuevo valor de la densidad?

Solución: a) El sólido con una temperatura de - 30ºC corresponde al dibujo de la izquierda, el de en medio a 20ºC y el de la derecha a 200ºC. Lo que ocurre es que el sólido se dilata debido que aumenta la energía de las partículas y aumenta también su movilidad. La masa es la misma, pero ha aumentado el espacio vacío entre las partículas. 3

b) Primer caso: d = m/V = 4,8 g/cm . Segundo caso: d' = m/V', siendo V' = 1,12 V, ya que el volumen aumenta un 12%. 3 Y queda: d' = m/1,12 V = d/1,12 = 4,8/1,12 = 4,3 g/cm .

44 Localizar la afirmación correcta: a) Los líquidos tienen un volumen determinado y una forma fija. b) Los gases son difícilmente compresibles. c) Los líquidos ocupan todo el volumen del recipiente. d) Los líquidos tienen un volumen determinado pero no una forma fija. Solución: La respuesta correcta es la d). 45 Completar la siguiente tabla explicando cómo se comporta cada estado en relación con las propiedades que se señalan: ESTADOS Forma y volumen Movimiento de las Fuerzas de cohesión partículas

SÓLIDO LÍQUIDO GASEOSO

Solución:

ESTADOS

Forma y volumen

SÓLIDO

Forma y volumen propio.

LÍQUIDO

Volumen fijo, pero adaptado a la forma del recipiente.

GASEOSO

Ni forma ni volumen propio, ocupan el del recipiente.

3

Movimiento de las partículas Vibran sobre sus posiciones de equilibrio. Deslizan unas sobre otras por lo que se adaptan a la forma del recipiente, pero permanece unidas. Las partículas se mueven en todas direcciones y están muy separadas.

Fuerzas de cohesión Son muy fuertes. Fuerzas de cohesión intermedias entre los otros dos, pero aún fuertes. Fuerzas de atracción muy débiles que no las retienen.

46 a) La densidad del hielo es 0,92 g/cm . ¿Qué volumen ocupa 1 kg de hielo? ¿Y 1 kg de agua? ¿Por qué flota un iceberg? b) Sin embargo, ése no es el comportamiento normal de la mayoría de sustancias. ¿Qué ocurriría en un lago helado en el transcurso de un invierno si la densidad del hielo fuera mayor que la del agua?

Solución: a) Aplicamos la expresión de la densidad: 3 d = m/V; V = m/d = 1 000/0,92 = 1087 cm . 3 3 El agua, tomando una densidad de 1 g/cm , tendrá un volumen de 1 000 cm , es decir 1 litro. Con estos valores para las densidades del hielo y el agua, es lógico que flote el iceberg, puesto que tiene una densidad menor que el agua. b) En efecto, la mayoría de las sustancias, al pasar a fase sólida experimentan una contracción de modo que su volumen disminuye y su densidad aumenta. El caso del agua es una afortunada excepción. Si no fuera así, es decir si el agua al pasar a fase sólida fuera más densa, se hundiría, con lo cual queda a la intemperie la siguiente capa de agua, que a su vez se hundiría al congelar y así sucesivamente. En un solo invierno todo el lago entero estaría helado y habría muerto toda la vida en él. La vida sobre el planeta desaparecería. 47 Cuando se calienta un gas encerrado en un globo, las moléculas del gas sufren algunos cambios. Marcar en cada caso la respuesta correcta: a) El número de moléculas: aumenta disminuye no cambia b) La distancia entre moléculas: aumenta disminuye no cambia c) La masa total de gas: aumenta disminuye no cambia d) La velocidad media de las moléculas: aumenta disminuye no cambia

Solución: Los cambios sufridos tienen relación con la teoría cinética, en aquellos factores que dependen de la temperatura. La masa y número de moléculas no sufren cambios. a) El número de moléculas: no cambia b) La distancia entre moléculas: aumenta c) La masa total de gas: no cambia d) La velocidad media de las moléculas: aumenta. 48 Di cuáles de las siguientes afirmaciones son correctas: a) Cuando un sistema cambia de estado no se modifica ni su masa ni su volumen. b) La evaporación es una vaporización lenta que se realiza en la superficie del líquido. c) La ebullición es una vaporización lenta que se realiza en la superficie del líquido. Solución: a) Falsa: se mantiene constante la masa, pero no el volumen. b) Verdadera: por eso este fenómeno se puede dar a cualquier temperatura. c) Falsa: la ebullición es una vaporización intensa que tiene lugar a una temperatura dada.