UNIDAD 2 LA CIENCIA EXPERIMENTAL Y SUS APLICACIONES 4º ESO CAAP 1. LA MATERIA Cuando observamos un cuerpo cualquiera, descubrimos que la materia de que está compuesto le da unas características propias que lo diferencian de otros cuerpos formados por materias diferentes. Una mesa, una silla, un cajón, un armario... son cuerpos con características comunes por el hecho de estar constituidos por una misma materia: la madera. Materia es toda sustancia capaz de ocupar un espacio y recibir cualquier forma. El espacio ocupado por una porción de materia no puede ser ocupado por otra porción de materia, esta propiedad se llama impenetrabilidad de la materia. Cuerpo es una extensión limitada de materia con una forma determinada. 2. MASA DE LOS CUERPOS Materia es todo lo que ocupa espacio y se puede pesar (tiene masa). Masa es la cantidad de materia que tiene un cuerpo. La unidad de masa es el kilogramo (kg). La masa de los cuerpos no cambia, permanece constante, aunque cambie la forma, la temperatura, el volumen, etc. El aire y los demás gases son sustancias materiales que, al igual que los sólidos y líquidos pesan (tienen masa) y ocupan un lugar. La medida de masas es una de las tareas habituales, no sólo en laboratorios, sino también en la vida diaria. Para ello utilizan instrumentos de gran precisión: las balanzas. En el laboratorio se usan distintos tipos. En la vida diaria se utilizan otros tipos de " balanzas " para medir en realidad pesos, como son las básculas de baño, las comerciales, etc. 1
1. a) Una de las propiedades de los cuerpos materiales es que tienen masa. Si en una balanza equilibrada ponemos algo sólido o líquido (un trozo de pan o un vaso de aceite, por ejemplo) la balanza se desequilibra. Sucederá igual con el aire? b) Colocamos primero un globo vacío en el platillo de la balanza y la equilibramos con pesas, después se llena el globo de aire y se vuelve a colocar en el platillo, dejando en el otro las mismas pesas de antes Se mantendrá equilibrada la balanza o se desequilibrará hacia algún lado? Hacia cuál? 2. Medimos en una balanza un recipiente con agua y un papel con un poco de azúcar. Después disolvemos el azúcar en el agua y volvemos a pesar el recipiente que contiene la disolución sin quitar el papel. Ha cambiado la cantidad de agua? Y la de azúcar? la masa será ahora más, igual o menor que antes? 3. "Pesamos" un recipiente con agua y una aspirina efervescente fuera de él. Luego introducimos la aspirina en el agua, esperamos un poco y volvemos a medir la masa será mayor, igual o menor que al principio? ha cambiado la cantidad de agua? Y la cantidad de aspirina? 3. MEDIDA DE VOLÚMENES Llamamos volumen de un cuerpo al espacio o lugar que ocupa. Donde hay un cuerpo material, sea sólido, líquido o gas no podemos poner otro a menos que quitemos el que estaba (impenetrabilidad de la materia). Esta propiedad nos permite medir sólidos irregulares (que no tengan una figura geométrica determinada) por inmersión en un líquido (normalmente agua) el responsable de subir el agua al introducir un cuerpo en ella es el volumen de dicho cuerpo, no el peso del cuerpo sumergido, de forma que si hemos usado un instrumento que nos permita medir el volumen del agua (por ejemplo, una probeta). La unidad de volumen en el Sistema Internacional es el metro cúbico y se escribe m 3. El metro cúbico es una unidad de volumen bastante grande, por lo que se usan submúltiplos y unidades de capacidad como el litro. 2
4. Sabiendo que 1 dm 3 equivale a 1 litro, completa las siguientes equivalencias: 1 cm 3 = ml; 1 m 3 = l ; 1 Hm 3 = l ; 1 dm 3 = cl 5. Hemos dicho que toda la materia ocupa un sitio en el espacio, ocurre igual con los gases?, se puede llenar una botella sin dejar salir el aire? 6. Cómo calcularías el volumen de un cubo, una esfera, una pirámide, un paralelepípedo, un cono? 7. Dos objetos sólidos distintos, A y B, se sumergen cada uno en un vaso lleno de tinta hasta el mismo nivel. Después de la inmersión, la tinta del vaso en el que se sumergió el cuerpo B ha subido más que la tinta del vaso en el que se sumergió el cuerpo A. De acuerdo con lo anterior podemos decir: 1. a) Volumen de B> volumen de A b) Volumen de B= volumen de A c) Volumen de B< volumen de A d) No sabemos nada respecto al volumen de ambos cuerpos Explica tu respuesta. 2. a) Peso de B> peso de A b) Peso de B= peso de A c) Peso de B< peso de A d) No sabemos nada respecto al peso de ambos cuerpos Explica tu respuesta Para medir el volumen de los líquidos y para trabajar con los líquidos en el laboratorio se utilizan distintos instrumentos, el profesor te enseñará los más comunes. La capacidad de un instrumento de medida es la cantidad máxima que puede medir. La sensibilidad de un aparato de medida es la cantidad mínima que puede medir. La precisión de un instrumento de medida es la exactitud al realizar una medida, de forma que al repetir varias veces la misma medida obtengamos el mismo valor. 3. DENSIDAD Llamamos densidad de una sustancia al cociente entre la masa y el volumen de esa sustancia. El cociente significa en este caso, la masa que tiene la unidad de volumen de la sustancia. DENSIDAD = masa/volumen 3
La densidad es una propiedad característica de cada sustancia, es decir una determinada sustancia tiene siempre la misma densidad a una temperatura dada. En el Sistema Internacional, la unidad de densidad es el kg/m 3, que resulta normalmente demasiado grande, por lo que se utiliza el g/cm 3. 8. a) Qué pesa más, 100 cm3 de agua o 100 cm3 de arena? Explica tu respuesta. Después diseña una experiencia para comprobarlo. b) Qué pesa más, 100 cm3 de agua o 100 cm3 de aceite? Explica tu respuesta y compruébala. c) Qué pesa más, 100 cm3 de agua o 100 cm3 de alcohol? Explica tu respuesta y compruébala 9. a) Calcula la masa que tendría 1 cm3 de agua, de arena, de aceite y de alcohol. b) Si pones en un vaso agua, arena y aceite, dibuja y explica cómo quedarán en el vaso. 10. Expresa la densidad del agua, la arena, el aceite y el alcohol. 11. a) Explica por qué un trozo de hierro no flota al introducirlo en agua. b) Explica por qué un barco (que está construido básicamente por hierro) flota en el mar. c) En qué líquido podríamos introducir un trozo de hierro macizo de modo que flotara? (Busca en una tabla de densidades). 12. Llenamos tres recipientes de igual tamaño, uno con mercurio, otro con agua y otro con hierro. La densidad del mercurio es 13,6 g/cm3, la del agua es 1 g/cm3 y la del hierro es 7,9g/cm3. Qué recipiente pesará más? Qué sustancia ocupará un volumen mayor? 4. TEMPERATURA Cuando la temperatura es muy alta solemos decir que hace mucho calor, desde el punto de vista científico esta expresión es incorrecta (aunque no lo sea en el lenguaje coloquial). La temperatura NO mide el calor, sino que es una expresión del estado de un cuerpo. Al cambiar la temperatura varía el volumen de los cuerpos sólidos, líquidos y gases, por eso la densidad debe medirse a una temperatura determinada. Sin embargo, la masa de los cuerpos NO se modifica al cambiar la temperatura ni en los cambios de estado. La temperatura de un cuerpo no depende del tipo de sustancia de la que esté hecho, ni de la cantidad de sustancia. Para medir la temperatura se utilizan los termómetros. Según las actuales teorías científicas, la temperatura más baja que podría alcanzar un cuerpo es -273,16 ºC. Esta temperatura, a la cual nunca se ha podido llegar, es conocida con el nombre de cero absoluto de temperaturas y corresponde al cero en la escala Kelvin, que es la utilizada en el S.I. 4
13. Introduce durante medio minuto una mano en agua fría y otra en agua caliente, luego pon las dos en agua templada, sirven tus manos para apreciar la temperatura correctamente? por qué? 14. De los objetos que te ha proporcionado el profesor cuál crees que tendrá mayor temperatura? Compruébalo usando un termómetro. 15. Llena un matraz aforado con agua hasta la señal, pésalo, mide la temperatura del agua. Pon el agua en un vaso de precipitados y caliéntala hasta 40ºC. Al ponerla en el matraz ocupa igual, más o menos volumen? pesa igual, más o menos? 16. Mide la masa de un trozo de hielo y anota el resultado. Si el hielo se derrite y pasa a ser agua líquida, pesará más, menos o lo mismo? Compruébalo. Si ponemos en contacto dos o más cuerpos con temperaturas diferentes, terminan por alcanzar la misma temperatura, que tendrá un valor entre la más alta y la más baja. Por tanto, el cuerpo que tenía mayor temperatura la disminuye y el que la tenía más baja la aumenta. Este fenómeno se conoce como el equilibrio térmico. 5. MAGNITUDES INTENSIVAS Y EXTENSIVAS. PROPIEDADES CARACTERÍSTICAS Las magnitudes que no dependen de la cantidad de materia se denominan intensivas, como la temperatura, la densidad, etc. Las magnitudes que dependen de la cantidad de materia se denominan extensivas, como el volumen, la masa, etc. Saber que un cuerpo tiene una masa de 7,8 kg, o que su volumen es de 1 dm 3, no nos ayudaría a identificar de qué materia está constituido. Existen propiedades que caracterizan a una materia determinada, es decir, sólo a esa materia corresponden unos valores específicos de las mismas, por ello reciben el nombre de propiedades características. Las propiedades características son intensivas y sirven para distinguir unas sustancias de otras, como por ejemplo la densidad, el punto de fusión, el punto de ebullición, etc. La temperatura de fusión es la temperatura a la que una sustancia cambia de estado sólido a líquido a presión constante, manteniéndose la misma temperatura mientras dura el cambio. Temperatura de ebullición es la temperatura a la que una sustancia cambia de estado líquido a estado gaseoso a presión constante, manteniéndose la misma temperatura mientras dura el cambio. 5
17. Tenemos en dos recipientes cantidades distintas de agua, tendrán los dos la misma temperatura? y la misma densidad? y el mismo peso? y el mismo volumen? 18. Tenemos cuatro objetos desconocidos A, B, C, D, pueden ser algunos de la misma sustancia? COLOR MASA DENSIDAD A BLANCO 3g 0,9g/cm3 B GRIS 2g 0,8g/cm3 C BLANCO 3g 0,8g/cm3 D GRIS 5g 0,9g/cm3 19. Observa estas dos gráficas correspondientes a dos cuerpos distintos A y B. Calcula la densidad de cada sustancia. Masa ( g) 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0 5 10 15 20 25 30 Volumen (c.c.) 20. Observa la siguiente gráfica y explica lo que ocurre. Temperatura ( ºC ) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Tiempo ( minutos) 6