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ciencias naturales 5 caba

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Ciencias naturales Ciudad aut贸noma de Buenos aires

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C A P Í T U L O

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Calor y transformaciones de los materiales Sumando ideas Luly vive en un pueblo de las altas cumbres cordobesas. Allí, en las noches frías de otoño se puede apreciar el rocío sobre las plantas y, a la mañana siguiente, el pasto duro y blanco. Uno de esos días, Luly pudo observar un fenómeno muy curioso: a la mañana temprano, cuando los rayos del sol llegaron a la pileta, comenzaron a levantarse unas nubecitas de vapor desde la superficie del agua.

En invierno, allí nieva con cierta frecuencia. En esa época, los vidrios de las ventanas amanecen con escarcha. En una oportunidad, Luly quiso acercarse para observarlos pero, cuando lo hizo, los vidrios se empañaron al instante.

Reunite con algunos de tus compañeros, debatan y respondan: a) ¿De dónde proviene el rocío que puede ver Luly sobre las plantas en las noches frías de otoño? ¿Por qué cuando amanece el pasto está duro y blanco? b) ¿Cómo explican las nubecitas de vapor que vio Luly en la superficie de la pileta? c) La escarcha de las ventanas, ¿se producirá a partir del rocío o tendrá otro origen? d) ¿Por qué se empañaron los vidrios cuando Luly se acercó a ellos?

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Los objetos pesan y ocupan un lugar en el espacio.

Un globo inflado con aire, o relleno de agua o de arena, ocupa lugar. A su vez, si colocásemos cada uno de estos globos sobre una balanza, veríamos que tienen un cierto peso, incluso el que está inflado con aire. Estas dos características –pesar y ocupar lugar– son posibles porque cada globo está lleno de “algo” que llamamos material. De hecho, el propio globo vacío también ocupa lugar y pesa, ya que el látex que lo forma también es un material.

Más allá de que el aire, el agua y la arena coinciden en ser materiales, también es cierto que poseen características bien diferenciadas. Es decir, hay distintas clases de materiales.

Muchas de las características de los materiales están dadas por la forma de presentarse en la naturaleza. Por ejemplo, una escultura puede estar hecha de mármol, granito, bronce o madera. Todos estos materiales tienen algo en común: son sólidos. Pero también hay materiales que se presentan como líquidos –como el agua– y los hay gaseosos, como el aire.

A estas formas de presentación de los materiales se las llama estados de agregación. En las condiciones habituales del ambiente, los materiales tienen un determinado estado. Si una o más de esas condiciones cambian, por ejemplo la temperatura, el material puede variar su estado de agregación. Pero seguirá siendo el mismo material.

Algunos pocos materiales, como el agua, se presentan en la naturaleza en más de un estado de agregación.

En condiciones normales, el agua se presenta en estado líquido. Pero, a temperaturas muy bajas puede aparecer como agua sólida –que llamamos hielo– y a temperaturas muy altas, como un gas, llamado vapor de agua. En todos los casos –agua líquida, hielo y vapor de agua– estamos ante el mismo material: agua. Lo único que varía es su estado de agregación.

Escultura realizada con materiales sólidos.

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En la vida cotidiana podemos observar el agua en sus tres estados de agregación.

© Santillana S.A. Prohibida su fotocopia. Ley 11.723

Estados de agregación

© Santillana S.A. Prohibida su fotocopia. Ley 11.723

Los materiales sólidos

Como ya dijimos, los materiales pueden presentarse en estado sólido, líquido o gaseoso. Pero ¿qué los identifica? Todos los materiales sólidos, por ejemplo, tienen algunas propiedades que los caracterizan. Veamos.

Forma propia. Los objetos sólidos, como una roca o un tronco, tienen una forma definida y la conservan. No fluyen.

Volumen definido. Debido a su falta de fluidez y al no cambiar su forma, el objeto ocupa siempre el mismo espacio, sin importar dónde se encuentre. Por ejemplo, una bolita apoyada en un estante tiene el mismo volumen que debajo del agua.

Incompresible. Es prácticamente imposible comprimir un sólido.

Aunque lo apretemos, no va a ocupar menos espacio.

Pero no todos los sólidos lucen ni se comportan de la misma forma.

Hay características que los diferencian unos de otros. Por ejemplo, los hay duros –como el mármol– y los hay blandos –como la plastilina–.

Entonces, podemos citar otras características que permitan diferenciar los distintos tipos de sólidos: Dureza. Indica cuán inalterable es un material ante la acción mecánica de otros. Cuanto más duro es un material, más difícil será rayarlo, marcarlo o rasparlo, como sucede con el diamante.

Rigidez. Es la capacidad que tiene un material para resistir la deformación debida a la acción de fuerzas externas, como sucede con las vigas de acero. Cuando un objeto no es rígido puede sufrir deformaciones, en cuyo caso se lo podrá clasificar en elástico o plástico.

Elasticidad. Es una propiedad de algunos materiales, que les permite recuperar su forma original una vez que cesa la fuerza que los ha deformado. Podemos pensar en una pelota de goma como un ejemplo de objeto elástico.

Plasticidad. Al contrario de la elasticidad, la plasticidad es la capacidad de un material de permanecer deformado luego de que ha cesado la fuerza que provocó esa variación. La plastilina es un buen ejemplo de ello.

Ductilidad. Es la capacidad de producir hilos. Por ejemplo, los alambres.

Maleabilidad. Es la capacidad de formar láminas finas, como las chapas.

Conocé En la actividad industrial es importante conocer las propiedades de los materiales para evaluar sus posibles usos.

Con esa intención, no podemos guiarnos solo por lo que nos transmiten nuestros sentidos y es necesario hacer mediciones. Por ejemplo, si hablamos de la dureza de los materiales sólidos, es obvio que el talco es más blando que el diamante; pero, al tacto, este último nos resultará tan duro como el vidrio. Sin embargo, el diamante es mucho más duro porque puede rayar el vidrio y, de hecho, una de sus aplicaciones consiste en marcar y cortar vidrios.

El diamante es uno de los materiales más duros que se conocen.

Si hundimos ligeramente los pies en una pelota de goma y luego soltamos, esta recupera la forma original. Si hacemos lo mismo en un trozo de plastilina, esta no recupera la forma que tenía. Es decir, el primer material es elástico mientras que el segundo, es plástico.

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Los líquidos se caracterizan por adaptarse a la forma del recipiente que los contiene, conservando su volumen.

A diferencia de lo que sucede en los sólidos, los líquidos fluyen, y eso es lo que hace que una bebida se desparrame sobre la mesa cuando se vuelca un vaso. Justamente, esa fluidez es la responsable de algunas características típicas de los líquidos: Sin forma propia. Los líquidos no presentan una forma definida y adoptan la del recipiente que los contiene. La leche contenida en una botella adoptará otra forma cuando la pasemos a un vaso.

Volumen definido. El volumen no variará, aunque el líquido pueda cambiar de forma: medio litro de alcohol en una botella seguirá ocupando medio litro al pasarlo a una jarra.

Poco compresible. El volumen de un líquido es difícil de achicar. Los líquidos, como los sólidos, son casi incompresibles.

A pesar de que los líquidos son fluidos, algunos lo son más que otros.

Por ejemplo, si servís leche y la endulzás con miel, observarás que ambos materiales (leche y miel) son líquidos. Sin embargo, la miel parece “menos líquida” que la leche. Esta diferencia en la fluidez está determinada por la viscosidad del material. Definimos la viscosidad de un líquido como la resistencia que ofrece el líquido al movimiento: cuanto más viscoso, menos fluido. Si dejás caer un objeto sólido dentro de un vaso con miel, tardará más en llegar al fondo que si lo dejás caer dentro de un vaso con leche. Para entenderlo, pensémoslo así: cuando deslizás un libro sobre otro, si las tapas son lisas o enceradas los moverás con facilidad; en cambio, si las tapas son rugosas, sentirás una resistencia al movimiento. Lo mismo sucede entre las capas del líquido y eso marca su viscosidad.

Los materiales gaseosos

Es difícil visualizar los materiales gaseosos, porque los más usuales son incoloros, como el aire (mezcla de varios gases, pero mayormente de dos: nitrógeno y oxígeno) y el gas de red o envasado. Considerando que vivimos inmersos en un mar de aire, ¿qué podemos decir acerca de los gases?

Por empezar, comprobamos lo tenues que son: es fácil moverse en el aire pero no en una pileta de natación, por ejemplo.

La leche es mucho más fluida que la miel o, lo que es lo mismo, la viscosidad de la miel impide que esta fluya con facilidad.

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© Santillana S.A. Prohibida su fotocopia. Ley 11.723

Los materiales líquidos

Así, los gases se aproximan a ser un fluido ideal, con escasa viscosidad.

Esas características explican las propiedades que observamos en ellos:

Sin forma propia: los gases no tienen forma definida y adoptan la del recipiente que los contiene.

© Santillana S.A. Prohibida su fotocopia. Ley 11.723

Compresible: es relativamente fácil comprimir un gas, es decir, achicar su volumen.

Sin volumen definido: los gases tienden a expandirse hasta que alguna superficie los limite o se mezclen con otros gases. Con estas consideraciones, se desprende que el volumen de un gas dependerá del recipiente que lo contenga.

En nuestra vida cotidiana los gases y sus características especiales tienen gran importancia. Para empezar, ningún ser vivo podría vivir sin aire para respirar. Pero existen muchos otros ejemplos de procesos (combustiones, refrigeración, etc.) en los que los gases resultan muy útiles.

Actividades Recordá 1. Enumerá las propiedades que permiten diferenciar varios materiales sólidos y mencioná ejemplos.

2. En tu carpeta, armá la siguiente tabla de doble entrada y tildá las celdas cuando se cumpla la característica mencionada.

Propiedad Material

Forma propia

Volumen definido

Puede comprimirse

Gas Líquido Sólido

Resolvé 3. Si apretás el émbolo de una jeringa "vacía" (en ver-

podrás ver que en el primer caso podés avanzar mucho más en el cuerpo de la jeringa. ¿Cómo se relaciona esto con la diferencia en la compresibilidad de líquidos y gases?

4. Si comparamos el hielo, el agua líquida y el vapor de agua, veremos que tienen distintas características. ¿A qué se deberá? ¿A que son diferentes sustancias? ¿O es la misma sustancia en distintos estados de agregación?

Investigá 5. Además de lo ya mencionados, investigá otros ejemplos de gases que tengan importancia en nuestra vida cotidiana y cuáles son sus usos. Organizá la información en un cuadro.

dad, con aire en su interior) o cargada con agua 21

En ciencias, es necesario expresarse con precisión para evitar afirmaciones erróneas o que no siempre sean verdaderas.

También se requiere precisión a la hora de hacer un experimento o de realizar una medición.

Al mencionar las características de los materiales sólidos, líquidos y gaseosos, supusimos que no había influencias externas ni cambios en las condiciones en las que ellos se hallaban. Por ejemplo, cuando afirmamos que un sólido tiene forma propia, estamos considerando que no actúa sobre él ninguna fuerza externa que pueda deformarlo.

De igual manera, decimos que los sólidos tienen un volumen definido porque no estamos contemplando la influencia que puede tener el calor sobre ellos. Entonces, con mayor precisión, deberíamos decir que un sólido tiene un volumen definido a una temperatura fija. Eso deja abierta la posibilidad de preguntar qué ocurriría si hubiese cambios de temperatura.

Por lo pronto, podría haber una dilatación o una contracción del material, ya sea que este reciba o entregue calor. Y esa deformación, sí implicaría un cambio de volumen.

La influencia del calor es más pronunciada en los materiales líquidos.

De hecho, en el capítulo anterior mencionamos que los termómetros de bulbo se basan en la dilatación o contracción del material que se mueve en el capilar. Entonces, hablando nuevamente de precisión, deberíamos decir que un líquido no cambia de volumen mientras su temperatura se mantenga fija.

Por otra parte, los gases sí tienen facilidad para cambiar de volumen, aunque no varíe la temperatura, ya sea que se los comprima o que dispongan de más lugar para expandirse. Con más razón, cambiarán de volumen ante la influencia del calor, hecho que puede utilizarse para medir la temperatura, en cuyo caso el aparato de medición recibe el nombre de termómetro de gas. ¿Por qué el calor puede influir en el volumen de un cuerpo? Recordemos que al entregar calor aumentamos la agitación térmica de las partículas y, al fin y al cabo, la ubicación de estas determina el tamaño del objeto. En general, cuanta más movilidad tienen las partículas, más se desplazan y mayor volumen tiene el cuerpo.

A pesar de que los rieles tienen una forma definida, en sus junturas se deja un pequeño espacio contemplando su posible dilatación por efectos del calor.

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Calor y estados de agregación

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Cambios de estado de agregación

Cuando decimos “el hierro es sólido, el mercurio es líquido y el oxígeno es gaseoso” deberíamos aclarar que eso ocurre en las condiciones habituales de temperatura ambiente. De hecho, el hierro puede ser líquido por encima de los 1.500 °C, el mercurio es completamente gaseoso a los 360 °C y el oxígeno es sólido más allá de los 220 °C bajo cero. Considerando que esos no son valores de temperatura habituales en el medio ambiente, es comprensible que asociemos el hierro a lo sólido, el mercurio a lo líquido y el oxígeno a lo gaseoso, pero no debemos olvidar que les puede ocurrir un cambio de estado.

Si dejamos un helado al sol, en un rato se derretirá.

Es decir, el calor servirá para pasar el helado de sólido a líquido. Por el contrario, si colocamos ese helado líquido en el freezer, en un rato se endurecerá. O sea, extraerle calor servirá para pasarlo de líquido a sólido.

Como podemos observar, el calor puede provocar un cambio de estado pero, en las condiciones adecuadas, este cambio puede "volver para atrás". Hablamos, en este caso, de un cambio reversible. En otras ocasiones, la entrega de calor a un material puede hacer que este material cambie las características que lo definen y se convierta en otro material, con lo cual el cambio sería irreversible. Por ejemplo, si calentamos un trozo de manteca "a fuego lento", este se fundirá, pero si lo hacemos "a fuego fuerte", lo más probable es que se queme. Es decir, que ya no será manteca, sino otro material. Lo mismo sucede con el azúcar.

Aunque el hierro cambie de estado de agregación debido al calor entregado, conserva las características que lo definen como material.

A cierta temperatura, la manteca se funde, pero si entregamos demasiado calor se quemará, convirtiéndose en otro material.

Estudiar en banda ¿Cómo preparar un resumen? ¿Cómo harías para contar estos cuentos en una o dos oraciones? Intentalo: • Cenicienta asistió al baile del palacio gracias a que…

• Yendo por el bosque a casa de su abuelita, Caperucita se perdió…

• La Bella se enamoró de la Bestia…

Pensá en algo que te haya sucedido ayer e intentá contárselo a un compañero en pocas palabras. ¿Qué tendrías en cuenta para hacer el relato?

Cuando vas a hacer un resumen conviene qu e detectes enseguida las partes del relato que so n importantes, las que tenés que poner sí o sí.

En los ejercicios propu estos recurriste a tu me moria (para acordarte de un cuento o de un hecho).

Pe ro ¿qué sucede cuando tenés que hacer un res um en de un texto? Lo mejor es realizar por lo meno s dos lecturas: ✓ En la primera se lee detenidamente el texto para identificar la o las palabras que indican el tema principal. Tambié n se señalan los temas secundarios y las palab ras clave que tiene ese texto. ✓ En la segunda lec tura se corrobora lo vis to en la primera, y se identi fican datos importante sy algunos enlaces (por lo tanto, al mismo tiemp o, etc.) que ayudarán a confeccionar el resum en.

En grupos, trabajen con el texto de estas dos páginas. Seguramente por el título ya se dan cuenta de que el tema principal es el calor y los estados de agregación.

• Hagan una primera lectura y subrayen las ideas secundarias. Por ejemplo, podrían marcar: dilatación, contracción, cambios de estado...

• Realicen una segunda lectura: ¿cambiarían algo de lo que marcaron en la primera?

• ¿Les falta agregar algún dato?

• ¿Qué enlaces del texto usarían en el resumen?

• Pongan entre corchetes aquella información que les parezca irrelevante para hacer el resumen.

• Hagan entre todos el resumen de esta información.

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El pasaje del estado líquido al gaseoso, que llamamos vaporización, no ocurre de una sola vez. En realidad, mientras el líquido se calienta, sus partículas periféricas más energéticas pueden llegar a vencer a las fuerzas de atracción que las mantienen ligadas y escapan al aire. Este proceso de vaporización parcial, que se da en la superficie del líquido, recibe el nombre de evaporación. Luego, cuando toda la masa del líquido alcanza la temperatura suficiente —punto de ebullición— comienza a hervir, y aquí es donde se da el pasaje generalizado a la forma gaseosa.

Tipos de cambios de estado A continuación, veremos los distintos tipos de cambios de estado que pueden ocurrir a nuestro alrededor.

De sólido a líquido

Si entregamos calor a un material sólido su temperatura aumentará, hasta llegar a un valor, llamado punto de fusión, en el que la temperatura queda fija y la energía recibida sirve para convertir el sólido en líquido. A este pasaje se lo llama fusión.

Por ejemplo, si sacamos cubitos de hielo del freezer, sus temperaturas estarán por debajo de los 0 °C. Al colocarlos en un vaso con bebida al natural, el líquido se enfría porque transfiere calor a los cubitos, mientras la temperatura de estos aumenta. Al llegar a 0 °C la temperatura de los cubitos ya no aumenta, sino que estos empiezan a derretirse.

De líquido a sólido

El proceso inverso al anterior consiste en extraer calor de un material líquido, con lo que disminuirá su temperatura. Al llegar al punto de fusión, la temperatura quedará fija y la energía extraída ayudará al pasaje del estado líquido al sólido, lo que se conoce como solidificación.

Por ejemplo, si colocamos agua en una cubetera y la ponemos en el freezer, como la temperatura de este está por debajo de los 0 °C, fluirá calor hacia él desde el agua. Al llegar a los 0 °C, el agua permanecerá a esa temperatura hasta convertirse totalmente en hielo. Luego, la temperatura de ese hielo seguirá bajando hasta igualar a la del freezer.

De líquido a gas

Si entregamos calor a un material líquido, su temperatura irá en aumento. Este proceso continuará hasta llegar al punto de ebullición, donde la temperatura queda fija mientras se realiza el pasaje de líquido a gas, llamado vaporización. Este proceso se llama evaporación cuando ocurre solamente en la superficie del líquido y ebullición cuando se produce en todo su volumen, como ocurre con el agua al llegar a los 100 °C.

Parte del calor transferido desde la bebida a los cubitos de hielo sirve para derretirlos.

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El freezer extrae calor al agua líquida y termina congelándola.

Cuando todo el volumen de agua llega a 100 °C observamos un burbujeo que es parte del proceso de ebullición.

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Conocé

De gas a líquido

A la inversa del caso anterior, si extraemos calor de un material en estado gaseoso, este comenzará a perder temperatura, con el consiguiente aquietamiento de sus partículas. Entonces comienzan a predominar las fuerzas de atracción entre ellas, de manera que al bajar a la temperatura de ebullición, esta queda fija y se realiza el pasaje de gas a líquido, llamado condensación.

Un ejemplo típico se da cuando se empañan los vidrios de un auto, en invierno. En ese caso, el vapor de agua caliente que exhalamos, choca contra la superficie fría del parabrisas y se transforma en minúsculas gotitas de agua que se depositan sobre el vidrio y dificultan la visión.

El vapor de agua caliente que exhalamos se condensa en pequeñas gotitas al chocar contra una superficie fría.

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De sólido a gas

Si bien lo habitual es que los cambios de estado se realicen de sólido a líquido y de este a gas, existen algunas sustancias sólidas que al recibir calor pueden pasar directamente al estado gaseoso. A este proceso se lo conoce como volatilización.

En la vida cotidiana, un ejemplo de esto es la naftalina, que al contacto con el aire sufre un proceso de volatilización, lo que verificaremos al ver que las bolitas van disminuyendo de tamaño con el tiempo.

Los vapores de naftalina se utilizan para espantar polillas.

De gas a sólido

De igual manera que en el caso anterior, lo frecuente es que del estado gaseoso se pase al líquido y de este al sólido. Sin embargo, en determinadas circunstancias, ante la pérdida de calor se puede observar un pasaje directo desde el estado gaseoso al sólido, que recibe el nombre de sublimación.

Por ejemplo, en zonas de clima muy frío, el vapor de agua presente en la atmósfera puede convertirse en cristales de agua sólida, que llamamos escarcha.

El vapor de agua forma escarcha cuando pasa directamente al estado sólido.

Actividades Experimentá

6. En grupos, y con ayuda de un adulto, coloquen agua

en una pava y pónganla a hervir. Cuando comience a salir vapor por el pico de la pava, acérquenle la tapa de una olla, de forma que el chorro de vapor dé de lleno en esa superficie, y por debajo un recipiente vacío y limpio, como un vaso. Usen una agarradera para no quemarse.

Miren con atención lo que sucede en la superficie de la tapa y en el vaso, y anoten sus observaciones. Luego, expliquen cada uno de los fenómenos que suce-

dieron desde que colocaron la pava sobre la hornalla encendida y asócienlos con lo que aprendieron acerca de los cambios de estado.

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Revisando las ideas a) Transferencia de energía que se produce en los cambios de estado. b) Estado de agregación fluido sin volumen definido. c) Cambio de estado líquido a gaseoso. d) Cambio de estado gaseoso a líquido. e) Propiedad de algunos sólidos de oponerse a la deformación. f) Valor de la temperatura mientras dura el cambio de estado. g) Temperatura a la que se produce la vaporización. h) Estado de agregación fluido con volumen definido. i ) Estado de agregación con forma propia. j ) Cambio de estado sólido a líquido.

Recordá 7. Copiá el siguiente esquema en tu carpeta, reemplazando cada número por el nombre del cambio de estado que representa. Además, coloreá cada flecha con rojo o azul, según sea necesario entregar o quitar calor para que se realice el correspondiente cambio.

Gas 3 4

2 6

Líquido

Sólido 5

Relacioná 8. Considerá la siguiente afirmación: “El calor entre-

Experimentá 11. Para esta experiencia necesitan reunirse en grupos y

conseguir agua, alcohol etílico, una cubetera, un freezer y una balanza.

1.º En uno de los espacios de la cubetera coloquen agua y en otro, alcohol etílico.

2.º Pongan la cubetera en el freezer.

3.º Controlen de tanto en tanto, para ver si se congelaron ambos líquidos o si uno lo hace antes que el otro. Consideren que luego de unas horas ambas sustancias alcanzarán la temperatura del freezer y esta no bajará más. a) ¿Qué ocurrió con cada sustancia? b) ¿Qué conclusión pueden sacar acerca del punto de fusión del agua y el del alcohol? c) Pesen ambos líquidos antes y después del cambio de estado. ¿Hubo cambios en el peso? ¿Por qué?

gado a una sustancia sirve para aumentarle la temperatura, antes y durante su cambio de estado”. ¿Es correcta la afirmación? Si lo es, justificá por qué. Si no lo es, corregile lo que sea necesario para que sea correcta.

9. Simplicio afirma que la plastilina no es sólida, pues

los sólidos tienen forma propia y, según él, la plastilina no tiene forma de nada. Peor aun si la apretás, adopta otra “forma de nada”. ¿Tiene razón Simplicio? ¿Por qué?

Resolvé 10. Completá el siguiente crucigrama. a)

A

b) c) d)

G R E

e)

G

f)

A

g)

C

h)

I

i) j) 26

Investigá 12. Cuando ponemos a hervir agua en una pava, en

un momento comienza a salir un chorro de vapor por el pico. A pesar de que el vapor de agua es transparente, el chorro que se observa es opaco. ¿Será que no sale vapor de agua de la pava? Pero, acaso, ¿no se convierte en eso el agua al momento de hervir? Investigá a qué puede deberse ese fenómeno.

Pista: pensá en la niebla.

Ó N

Realizá el

Organizando las ideas

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de la página 137.

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