Efecto fotoeléctrico

Celda solar casera

Mecanismos de transferencia de calor

1-¿En qué se diferencian la conducción de la convección?

2-¿La energía que proviene del sol lo puede hacer por conducción o convección?

3-¿Qué diferencia encontramos entre las ondas mecánicas y electromagnéticas?

4-Esquematizar una onda, marcar en ella un valle y una cresta. ¿Qué nos indica la longitud de onda?

5-¿Qué nos indica la frecuencia de onda?

6-Esquematizar el espectro  electromagnético detallando su parte visible por el ojo humano y las radiaciones infrarrojas.

6-¿Cómo se propaga el calor por radiación?

5-Definir  absorción, reflexión y emisión de energía.  ¿Cómo se comportan  los cuerpos  blancos y negros con respecto a estos fenómenos?

6-¿Por qué los habitantes del desierto en los países árabes utilizan vestimentas de color negro?

Para responder a esta última pregunta tener en cuenta el artículo: “En el desierto, apuesta al negro”, publicado en el blog del docente.

EN EL DESIERTO, APUESTA AL NEGRO

EN EL DESIERTO, APUESTA AL NEGRO

Seguro que se han fijado alguna vez en el color de las casas de los pueblos del sur de España. Todas son de un blanco resplandeciente, y no es por casualidad, los muros blancos se calientan menos que los oscuros porque permite reflejar la mayor parte de la luz solar. Si los pueblos Andaluces tuvieran sus casas pintadas de colores oscuros, gran parte de la radiación solar sería absorbida y refrigerar su interior sería mucho más complicado. De ahí la tradición de encalar las fachadas de las casas, aunque muchos habitantes ni siquiera sepan el verdadero origen de tal tradición.

Pueblo de Casares (España)

Teniendo esto en cuenta, resulta paradójico que las vestiduras de los ciudadanos de los países árabes, que en su mayoría se encuentran en latitudes más bajas que España, luzcan de negro. ¿Es posible que el negro sea más fresco en un desierto? A primera vista, lo lógico sería vestir de blanco pues la ropa se calentaría menos bajo un sol abrasador. Solo tienen que observar el color de su propia ropa de verano para comprobar que son principalmente colores claros.

Sin embargo, cuando el calor del aire exterior supera la barrera de la temperatura corporal (37ºC), la ropa negra permite una mejor refrigeración. Veamos por qué:

Del color de una superficie depende la cantidad de luz que refleja y, por ende, la cantidad de calor que absorbe. Cuanto más oscura es, más luz absorbe y más calor produce. El sol del mediodía puede emitir sobre la superficie unos 1.000 vatios por metro cuadrado (la media es de 1.373 W/m2 según la Organización Mundial de Meteorología). Un objeto negro puede llegar a absorber hasta el 90% de esa energía.

Pero también debemos tener en cuenta la radiación que emite el propio cuerpo al calentarse. Al emitir energía el cuerpo se está enfriando. Una vestidura que se encuentre a 40ºC, está emitiendo radiación en el infrarrojo lejano. Esto implica que cuanto mejor absorbe una prenda la radiación solar, más radiación infrarroja emite. Una prenda negra, será un buen absorbente, pero también un gran emisor (unos 500 vatios por metro cuadrado a temperatura ambiente).

Ahora entenderán por qué la ropa interior que utilizamos en invierno suele ser blanca. El blanco absorbe menos, pero también emite menos calor que el negro, lo que facilita mantener la temperatura interior.

Según Jean-Michel Courry y Edouard Kierlik (Investigación y Ciencia, abril 2008), la energía absorbida por la chilaba negra de un beduino es de 840 vatios por metro cuadrado, mientras que sus pérdidas por radiación infrarroja son de 540 vatios por metro cuadrado. Por lo que existe una ganancia neta de energía de 300 vatios. Si la chilaba fuera blanca, como en ocasiones ocurre en Arabia Saudita o Marruecos, absorbería 650 W/m2 y emitiría en el infrarrojo casi como un tejido negro 530 W/ metro2. Eso último es debido a que la emisión de radiación solo depende de la temperatura que tiene el cuerpo. Pero al final tenemos una diferencia de solo 120 W/m2, que es claramente inferior a los 300 que vimos con el negro. Si midiéramos en ese momento la temperatura superficial de una prenda y de la otra, comprobaríamos que la clara está a 41ºC mientras que la oscura alcanza los 47ºC, ¡seis grados más caliente!

Pese a esta contradicción que todos intuitivamente podíamos esperar - la ropa oscura se calienta más-, las chilabas de los beduinos son predominantemente negras, al igual que las tiendas en las que se cobijan en los desiertos.

LAS TIENDAS DE LOS BEDUINOS

Acerquémonos un poco más a la respuesta definitiva de por qué se eligen colores oscuros para vestir en climas de calor seco, estudiando lo que ocurre a nivel físico en las tiendas de los beduinos.

El toldo negro de las tiendas da más sombra en su interior (menos radiación lumínica general) que un toldo claro para un mismo grosor del tejido, pero el problema es que los toldos negros se calientan mucho más. Para evitar este problema los beduinos procuran mantener las tiendas siempre abiertas, con lo que la diferencia de temperatura entre el caliente toldo y el suelo que se encuentra relativamente más frío, sirve para generar una corriente de convección en su interior.

Dicho de otro modo, las tiendas de los beduinos son auténticas "chimeneas" que se aprovechan del calor del Sol. El aire al entrar en contacto con el tórrido toldo se calienta y sube para abandonar el interior de la tienda por arriba. Al hacerlo aspira por la parte interior aire más fresco. De este modo se genera una corriente de aire, provocada gracias a la mayor temperatura del toldo negro, que mueve el aire como si fuera un ventilador. Y la gracia del asunto es que eso lo consigue, ¡incluso en total ausencia de brisa!

VOLVIENDO A LAS TÚNICAS DE LOS BEDUINOS

Las túnicas que visten los árabes consiguen crear el mismo efecto de convección visto en las tiendas, facilitando que la temperatura corporal de la persona se mantenga estable en 37ºC, independientemente de la temperatura exterior. Para ello la chilaba no solo tiene que liberar el calor proveniente del exterior, sino que también tiene que refrigerar el organismo de la persona, que emite por si solo unos 100 W de forma continua.

A buen seguro a estas alturas ustedes siguen sin saber por qué la ropa oscura es mejor que la clara. La transpiración corporal es el elemento que falta para conseguir la ansiada respuesta). El cuerpo humano es capaz de evaporar más de medio litro de agua por hora para refrigerarse. Un vestido con la configuración y el color adecuado puede potenciar el efecto refrescante de la sudoración, como si de un aire acondicionado portátil se tratara.

Lo que no hemos comentado hasta ahora es que los beduinos en realidad llevan una doble chilaba. La que está cerca del cuerpo, suelen ser prendas claras de algodón para que absorban el sudor y no se calienten demasiado (reflejan mucha radiación). Estas prendas nunca están ajustadas al cuerpo, para permitir el libre tránsito del aire. Sobre esta se sitúa una segunda prenda, también con gran holgura y de color negro (mucho más caliente). De este modo el aire circula fácilmente entre las dos prendas, evaporando el sudor corporal y refrescando a la persona. El aire caliente generado por esos 300 vatios de energía calorífica antes mencionados de la chilaba negra asciende por el interior hasta liberarse por su parte superior  - como si de una chimenea se tratase -, eso facilita la absorción de aire más fresco que entra a la altura de los pies, generando una corriente de convección. El color de las túnicas actúa a modo de motor térmico para mover el aire, como si las chilabas tuvieran un ventilador en su interior.

EN RESUMEN

Las chilabas negras consiguen mayor potencia de ventilación -convección-, como vimos anteriormente, disponen de un potencial de ventilación de 300 W/m2 frente a los 120 W/m2 de las blancas. Eso unido a la sudoración del cuerpo humano (los que sean españoles conocerán el famoso "efecto botijo" de refrigeración) las convierte en un aire acondicionado portátil que refresca el organismo de forma mucho más eficiente que los colores claros.

Coeficientes de conductividad termica en materiales de construccion

Grupos sanguineos

 ¿Que son los grupos sanguineos?  

Trabajo Práctico nº 6: Ácidos y bases

Trabajo Práctico nº 6: Ácidos y bases

La palabra ácido proviene del latín “ácidus” que significa agrio indica la propiedad  de algunos productos como el vinagre de frutas o el limón.

Las bases, antiguamente llamadas álcalis (palabra que proviene del árabe y  significa ceniza vegetal) son capaces de anular los efectos y propiedades de las sustancias ácidas.

Con el desarrollo de la química como ciencia fue ampliándose la definición de estas sustancias y fueron determinadas sus propiedades. En 1663 el científico Robert  Boyle caracterizo a los ácidos como sustancias que atacan al mármol con efervescencia y enrojecen los pigmentos azules de algunas plantas.

En 1777 Antoine Laurent Lavoisier consiguió disolver en agua óxidos no metálicos  obteniendo ácidos como el acido sulfúrico (H₂SO₄), acido nítrico (HNO₃) y acido carbónico (H₂CO₃). De esta manera Asegura que el oxigeno es el elemento común a todos los ácidos, aunque su intento de obtener oxigeno a partir de todos los ácidos conocidos fracaso cuando lo intento a partir de acido clorhídrico (HCl).

En 1810, el químico británico Humphry Davy  demostró que el acido clorhídrico estaba constituido únicamente por Hidrogeno y Cloro, y aseguro que todos los ácidos contenían Hidrogeno.

En 1814 J. L. Gay-Lussac afirmó que los ácidos y las bases no debían definirse por sí mismos sino unos en función de los otros.A medida que se fueron identificando mayor número de ácidos, fue haciéndose evidente que el elemento común a todos ellos era el Hidrógeno.

A mediados del siglo XIX ya se conocían varias propiedades de los ácidos:

-Tienen sabor agrio.

-Destruyen tejidos, sobre todo en soluciones concentradas.

-En contacto con carbonatos o bicarbonato de sodio producen efervescencia liberando gas carbónico (CO₂).

-Atacan a los metales, liberando gas Hidrogeno.

-Tiñen de rojo al papel tornasol (mezcla de colorantes extraída de ciertos líquenes).

Actividad nº 1: De los siguientes compuestos indica aquellos que estarían de acuerdo con la definición de ácido de L,avoisier y justificar por qué: Ácido sulfhídrico - ácido bromhídrico - ácido fosfórico - ácido clorhídrico - ácido yodhídrico.

En 1887 el científico sueco Svante Arrhenius investigó el carácter conductor de las soluciones acuosas de algunos compuestos, llamados electrólitos (ácidos, bases y sales), llegando a formular como hipótesis explicativa que estas soluciones conducen la corriente eléctrica porque el electrólito se disocia formando iones, es decir átomos o grupos de átomos con carga eléctrica.

Estos iones tienen movilidad dentro del agua y es por esto que conducen la electricidad. Cuando en 1884 presentó su teoría en su tesis doctoral no fue muy bien recibida por la comunidad científica de ese entonces, aunque posteriormente el desarrollo de sus trabajos sobre la disociación iónica le valió el premio Nobel en 1903. Los motivos por los que no se aceptaron, en principio, las ideas de Arrhenius eran de dos tipos:

-No existía explicación para que los iones estuvieran separados y no volvieran a unirse por atracción mutua (no se conocían las interacciones que se podían establecer entre los iones y las moléculas de agua).

-Las propiedades de los iones debían ser semejantes a las de la sustancia simple con el mismo elemento. Así la disolución acuosa de cloruro de sodio tenía, según Arrhenius, iones Na⁺ y Cl^- que en nada se parecen al sodio, que es muy reactivo en el agua, ni al cloro de gran toxicidad, frente al carácter inocuo (no toxico) de esta disolución salina.

El sodio reacciona violentamente con el agua mientras que el cloruro de sodio solamente se disuelve.

Los detractores de la teoría de Arrbenius creían que los iones Na⁺ debían tener las propiedades del Na y que los iones Cl^- debían tener las propiedades del Cl.

Teniendo en cuenta que se sabía que las moléculas de los ácidos contienen hidrógeno, Arrhenius explicaba el carácter conductor de las soluciones acuosas de los ácidos asegurando que estas sustancias se disocian en el agua, total o parcialmente, dando iones H⁺ (cationes de hidrógeno, actualmente llamados hidrónios según la IUPAC) e iones negativos (aniones) formados por el resto de la molécula.

Si representamos un ácido en general mediante la fórmula HA, la disociación iónica es:

                                 

                                       HA (aq)                         H⁺ (aq) + A (aq)                              

Según lo planteado por Arrhenius, este propone la siguiente teoría:

“Ácido es aquella sustancia que, en solución acuosa, se disocia dando iones hidronios H⁺

 y base es todo a sustancia que en disolución acuosa, se disocia dando iones oxhídrilo OH^-

Las disoluciones acuosas de las bases también conducen la corriente eléctrica, por lo que Arrhenius lo justificaba admitiendo la disociación de las bases en el agua total o parcialmente dando iones positivos (cationes metálicos) e iones negativos (aniones oxhidrilo). Si representamos una base mediante la fórmula BOH, la disociación iónica es:  

 

                                        BOH _(ac)                        B⁺ _(ac) + OH^-

Dado que los H⁺ y los OH^- formados tienen mucha afinidad cuando están cerca, tienden a combinarse: ¿y a que no adivinan el producto que forman?

                                      

                                        H⁺  + OH^-                               H₂O

Entonces si la misma cantidad de H⁺ y OH^- que están en solución se unen para formar moléculas de agua, sin que no haya exceso de ninguno de los dos, la reacción que se produce se denomina neutralización.

Entonces al mezclar un acido con una base se forma una sal y agua.

                           

                              HA (aq)  +  BOH _(ac)                                       AB + H₂O

Actividad nº2: El HCl y el NaOH se disocian en una solución acuosa. A partir de esta afirmación responder: a-Según la teoría de Arrhenius: ¿Cuál es el acido y cuál es la base? b-Representar la disociación de cada uno de estos compuestos en el agua. c-Dichos compuestos se neutralizan dando H2O y NaCl. Representar la reacción con la ecuación química que corresponda. Actividad nº 3: Escribe el proceso de la disociación iónica en el agua de los siguientes compuestos:                                             HBr – CaOH – Mg(OH)2 - HClO4 Actividad nº 4: Teniendo en cuenta las consignas de la actividad nº 2 realizar las ecuaciones correspondientes e indicar que sustancia se comporta como acido y cual como base. a-  H2SO4 + Ca(OH)2 b-  HI + KOH c-  HCl + Mg(OH)2 Actividad nº 5: leer el siguiente texto y responder:  "Realizando múltiples experiencias comprobé que algunos compuestos conducen la corriente eléctrica en disolución. Esta propiedad me llevó a plantear la siguiente teoría: las sustancias conducen la corriente eléctrica en disolución acuosa porque se disocian en iones positivos (cationes) e iones negativos (aniones). Recuerdo cuando fui a mi profesor, Clive, al que admiraba mucho, y le dije: - "Tengo una nueva teoría de la conductividad eléctrica debida a las reacciones químicas" -. Él me contestó: - "Es muy interesante" -, y añadió: - "Adiós" -. Por aquel entonces se emitían muchas hipótesis, que resultaban ser falsas, y el buen hombre estaba cansado de oír una más. Tuve que vencer serias objeciones a mi teoría. La naturaleza de las objeciones la puedo ilustrar considerando lo 'que mi teoría prevé acerca de la sal (NaCI) disuelta. El NaCI se ioniza en agua, formando iones Na+ y CI- separados. Mis críticos rehusaron distinguir entre átomos libres de Na, que reaccionan explosivamente con el agua, de los iones Na+. Igualmente el cloro libre (CI2) es un veneno fuerte, mientras que la sal disuelta se ingiere normalmente con los alimentos e incluso ayuda a la digestión, porque está como iones Cl-.  Me costó mucho convencerles de que las propiedades de los átomos y de los iones son muy diferentes."  (Arrhenius 1880). Explica la diferencia en su estructura y sus propiedades entre algunos elementos y sus iones, por ejemplo entre el sodio y el ión sodio, entre el cloro y el anión cloruro, entre el cobre y el catión cobre (II).

En una ciencia experimental, como es la Química, las nuevas teorías surgen para explicar hechos que no pueden ser justificados con las ideas anteriores. La teoría de Arrhenius presenta varias limitaciones:

- Hay sustancias, como algunos óxidos (ej. CO2, SO₂, SO₃, N₂O₅) o algunas sales como (ej. FeCl₃, SnCl₄) que no tienen átomos de hidrógeno y, sin embargo, sus disoluciones acuosas tienen propiedades ácidas.

-Otras sustancias, como el amoníaco, los carbonatos o los hidrógenocarbonatos no tienen grupos oxhidrilo y, no obstante, al disolverlos en agua presentan propiedades básicas.

-La definición de Arrhenius exige la presencia de agua como disolvente, pero existen procesos de neutralización que transcurren en otros disolventes o en ausencia del mismo. Así es el caso de la

reacción entre el acido clorhídrico y el amoníaco para formar cloruro de amonio:

HCl (g) + NH₃(g)                  NH4Cl (s)   El primero se comporta como ácido y el segundo como base, que pueda hablarse de la existencia de iones H⁺ ni de iones OH^-.

-Los iones hidrógeno, H+, debido a su carga y su pequeño tamaño no pueden existir libres en disolución acuosa, uniéndose al agua formando los iones oxonio (H30+).

Como consecuencia de las limitaciones nombradas de la teoría Arrhenius los químicos Johannes Brönsted(1879-1947) y Thomas Lowry(1874-1936) se preguntaron qué pasaba con aquellas sustancias que no presentaban H⁺ u OH^- y plantearon de forma independiente, en 1923, una nueva definición más amplia de los conceptos ácido-base.

Según Brönsted y Lowry una sustancia se comporta como ácido si cede protones H⁺ a otra que los acepta, actuando de este modo, como una base.

Por tanto, una determinada sustancia no es ácida o básica por sí misma, sino que dependerá de frente a quien se encuentre. Por tanto, podemos afirmar: Una sustancia se comporta como ácido cuando cede protones actúa como base si los acepta.

                                

                              HCN ₍aq) +  H₂O                                CN^- (aq) + H₃O⁺ (aq)

El ácido cianidhrico se comporta como tal frente al agua porque le cede un protón a ésta, que lo acepta actuando como base, transformándose en ion oxonio (H₃O⁺).

                                 

                                NH_{3 (aq)} + H₂O                                   NH₄⁺(aq) + OH⁺(aq)

El amoniaco actúa como una base, aceptando un protón  H⁺ que  le cede el agua, la cual actúa como ácido.

Como hemos podido observar en estos ejemplos el agua se comporta bien como base o como ácido frente a sustancias distintas. Pudiendo reaccionar con un ácido o una base de diferentes maneras, aceptando protones o cediéndolos respectivamente.

En general las reacciones ácido/base las podemos escribir, de acuerdo con la teoría de Brónsted /Lowry de la siguiente forma:

  

    

                                         HA + B                            A^-  + BH⁺

La especie química HA se comporta como ácido, pues es capaz de ceder un protón a B, que actúa como base. Teniendo en cuenta la reversibilidad de las reacciones químicas, a su vez la especie química BH⁺ tiene un comportamiento ácido, ya que puede ceder un protón a A^-, que, de esta forma, se comporta como base. Se puede afirmar que AH/A^-forman un par ácido/base conjugado y B/BH^- forman un par base / ácido conjugado. Por tanto, se puede decir:

                                       AH  +  B                              A^-   +   BH⁺

                                Ácido1   +  Base2                   Base1  +  Ácido2

Actividad nº 6: Dadas las siguientes reacciones de transferencia de protones indica debajo de cada especie química su comportamiento de ácido o de base, justificando la respuesta: a-  NH3 (g) + HCl (g)                               NH4+ + Cl-(s); b-  HCOOH(l) +  H2O (l)                         HCOO- (aq) + H3O+ (aq) Actividad nº 7: Leer el siguiente texto y responder: Aunque no lo crean los ácidos estomacales poseen una elevada concentración de HCl. Cuando ciertos problemas en el funcionamiento del estomago producen un aumento de los jugos gástricos se genera la desagradable y conocida sensación de acidez. Para combatir la acidez se ingiere un antiácido aprovechando la reacción de neutralización con el objetivo de aliviar ese malestar. El más común de los antiácidos es el bicarbonato de sodio (NaHCO3), una sustancia que no posee OH- en su estructura, pero que puede reaccionar con los iones oxonio (H3O+) produciendo Na+, Cl-, H2O y CO2.                   HCl (l)   + H2O (l)                                             Cl-(aq) + H3O+(aq)                                                   NaHCO3(s) + H3O+(aq) + Cl- (aq)                                          Na+ (aq)+ Cl- (aq)+ H2O(l) + CO2(g) Mediante la formación de agua se neutraliza el exceso de protones estomacales, el hecho de que se forme dióxido de carbono gaseoso explica las consecuencias indeseables que produce el tomar bicarbonato de sodio cuando estamos con acidez. -Teniendo en cuenta que el carbonato de calcio  (CaCO3) y el hidróxido de magnesio (MgOH2) también son utilizados como antiácidos. Indicar de qué manera se produce la reacción de neutralización entre estas sustancias y los iones oxonio (H3O+), escribiendo las ecuaciones químicas que las justifiquen.