Taller de física, MULTIGRADO F, OSCILACIONES, Taller de Química: CÁLCULOS ENERGÉTICOS EN LAS REACCIONES QUÍMICAS

 INSTITUCIÓN EDUCATIVA FRANCISCO LUIS HERNÁNDEZ BETANCUR –CIESOR-

Taller de física, MULTIGRADO F

OSCILACIONES

Oscilación libre

En el caso en que un sistema reciba una única fuerza y oscile libremente hasta detenerse por causa de la amortiguación, recibe el nombre de oscilación libre. Éste es por ejemplo el caso cuando pulsamos la cuerda de una guitarra.

FIGURA 01: Oscilación libre. La envolvente dinámica muestra fases de ataque y caída

Oscilación amortiguada

Si en el caso de una oscilación libre nada perturbara al sistema en oscilación, éste seguiría vibrando indefinidamente. En la naturaleza existe lo que se conoce como fuerza de fricción (o rozamiento), que es el producto del choque de las partículas (moléculas) y la consecuente transformación de determinadas cantidades de energía en calor. Ello resta cada vez más energía al movimiento (el sistema oscilando), produciendo finalmente que el movimiento se detenga. Esto es lo que se conoce como oscilación amortiguada.

FIGURA 02: Oscilación amortiguada

En la oscilación amortiguada la amplitud de la misma varía en el tiempo (según una curva exponencial), haciéndose cada vez más pequeña hasta llegar a cero. Es decir, el sistema (la partícula, el péndulo, la cuerda de la guitarra) se detiene finalmente en su posición de reposo.

La representación matemática es, donde  es el coeficiente de amortiguación. Notemos que la amplitud  es también una función del tiempo (es decir, varía con el tiempo), mientras que a y  son constantes que dependen de las condiciones de inicio del movimiento.

No obstante, la frecuencia de oscilación del sistema (que depende de propiedades intrínsecas del sistema, es decir, es característica del sistema) no varía (se mantiene constante) a lo largo de todo el proceso. (Salvo que se estuviera ante una amortiguación muy grande.)

Oscilación autosostenida

Si logramos continuar introduciendo energía al sistema, reponiendo la que se pierde debido a la amortiguación, logramos lo que se llama una oscilación autosostenida. Éste es por ejemplo el caso cuando en un violín frotamos la cuerda con el arco, o cuando soplamos sostenidamente una flauta.

FIGURA 03: Oscilación autosostenida. La envolvente dinámica presenta una fase casi estacionaria (FCE), además de las fases de ataque y caída.

La acción del arco sobre la cuerda repone la energía perdida debido a la amortiguación, logrando una fase (o estado) casi estacionaria. Preferimos llamarla fase casi estacionaria -y no estado estacionario, como suele encontrarse en alguna literatura- debido a que, en condiciones prácticas, resulta sumamente difícil que la energía que se introduce al sistema sea exactamente igual a la que se pierde producto de la amortiguación. En consecuencia, la amplitud durante la fase casi estacionaria no es en rigor constante, sino que sufre pequeñas variaciones, cuya magnitud dependerá de nuestra habilidad para compensar la energía perdida.

Si la energía que se repone al sistema en oscilación es menor a la que se pierde producto de la fricción obtenemos una oscilación con amortiguación menor, cuyas características dependen de la relación existente entre la energía perdida y la que se continúa introduciendo. También en este caso el sistema termina por detenerse, aunque demore más tiempo. (En música lo llamaríamos decrescendo.)

Por el contrario, si la energía que introducimos al sistema es mayor que la que se pierde por la acción de la fricción, la amplitud de la oscilación crece en dependencia de la relación existente entre la energía perdida y la que se continúa introduciendo. (En música lo llamaríamos crescendo.)

Oscilación forzada

Las oscilaciones forzadas resultan de aplicar una fuerza periódica y de magnitud constante (llamada generador G) sobre un sistema oscilador (llamado resonador R). En esos casos puede hacerse que el sistema oscile en la frecuencia del generador (ƒg), y no en su frecuencia natural (ƒr). Es decir, la frecuencia de oscilación del sistema será igual a la frecuencia de la fuerza que se le aplica. Esto es lo que sucede por ejemplo en la guitarra, cuando encontramos que hay cuerdas que no pulsamos pero que vibran "por simpatía".

Debe tenerse en cuenta que no siempre que se aplica una fuerza periódica sobre un sistema se produce una oscilación forzada. La generación de una oscilación forzada dependerá de las características de amortiguación del sistema generador y de las del resonador, en particular su relación.

Resonancia

Si, en el caso de una oscilación forzada, la frecuencia del generador (ƒg) coincide con la frecuencia natural del resonador (ƒr), se dice que el sistema está en resonancia.

La amplitud de oscilación del sistema resonador R depende de la magnitud de la fuerza periódica que le aplique el generador G, pero también de la relación existente entre ƒg y ƒr.

Cuanto mayor sea la diferencia ente la frecuencia del generador y la frecuencia del resonador, menor será la amplitud de oscilación del sistema resonador (si se mantiene invariable la magnitud de la fuerza periódica que aplica el generador). O, lo que es lo mismo, cuanto mayor sea la diferencia entre las frecuencias del generador y el resonador, mayor cantidad de energía se requerirá para generar una determinada amplitud en la oscilación forzada (en el resonador).

Por el contrario, en el caso en que la frecuencia del generador y la del resonador coincidieran (resonancia), una fuerza de pequeña magnitud aplicada por el generador G puede lograr grandes amplitudes de oscilación del sistema resonador R. La Figura 04 muestra la amplitud de oscilación del sistema resonador, para una magnitud constante de la fuerza periódica aplicada y en función de la relación entre la frecuencia del generador ƒg y la frecuencia del resonador ƒr.

FIGURA 04: Curva de resonancia a = f (t)
ƒg/ƒr = 1 => Resonancia

Oscilación autosostenida

Si logramos continuar introduciendo energía al sistema, reponiendo la que se pierde debido a la amortiguación, logramos lo que se llama una oscilación autosostenida. Éste es por ejemplo el caso cuando en un violín frotamos la cuerda con el arco, o cuando soplamos sostenidamente una flauta.

https://www.eumus.edu.uy/docentes/maggiolo/acuapu/osc.html

"Un cuerpo débil debilita al espíritu". Frase del filósofo Juan Jacobo Rousseau, que vivió entre los años 1712 y 1778.

"La salud no se canjea con centenares de vacas. Es decir, la salud es el bien supremo". Un proverbio tradicional de la etnia hutu, de Burundi, África.

Aristóteles: "El movimiento no existe fuera de las cosas, pues todo lo que cambia, o cambia en el orden de la sustancia o en la cantidad, o en la calidad, o en el lugar. "

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       Taller de Química

CÁLCULOS ENERGÉTICOS EN LAS REACCIONES QUÍMICAS

Dumas, Alejandro: "El amor es Física, el matrimonio Química."

En esta unidad vamos a estudiar las transformaciones químicas. Son procesos en los que una serie de sustancias reaccionan para dar otras con propiedades diferentes.

Veremos cómo ajustarlas (para poder relacionar las cantidades de las sustancias implicadas) y las clasificaremos. Estudiaremos la energía puesta en juego, los factores que influyen en su velocidad y terminaremos viendo algunos ejemplos importantes a nivel industrial y de la naturaleza.

Hablamos de reacción química cuando las moléculas de los reactivos rompen alguno de sus enlaces para formar otros nuevos, lo que conlleva la aparición de nuevas sustancias.

Llamamos ecuación química a la expresión en la que aparecen como sumandos las fórmulas de los reactantes (sustancias que reaccionan) seguidas de una flecha, y las fórmulas de los productos (sustancias que se producen) también sumándose.

Deben incluirse los estados de agregación de las sustancias, aunque si todas están en disolución o son gaseosas, se pueden obviar.

Para que se produzca la reacción es necesario que las moléculas de los reactantes choquen entre sí, ya que es la única manera de que puedan intercambiar átomos para dar los productos. Ésta es una condición necesaria pero no suficiente ya que el choque debe darse con una mínima energía para que los enlaces de los reactivos se puedan romper, y con la orientación que les permita unirse para formar las moléculas de los reactivos. Si se dan todas las condiciones hablaremos de choque efectivo.

En este applet vemos las posibilidades a excepción de la energía a la que dedicamos un apartado. Reactantes.......→.....Productos AB (g) + CD(g) → AC(g) + BD(g)

AJUSTE.

Dado que los átomos de los reactantes no desaparecen, en los productos encontramos los mismos y en la misma cantidad. Esto, además, explica la Ley de conservación de la masa.

Para conseguir esa constancia en el número de átomos de la ecuación química tenemos que realizar un proceso denominado ajuste. Consiste en colocar unos coeficientes estequiométricos delante de cada fórmula de modo que indiquen las veces que ésta se repite. Esos coeficientes afectan a toda la molécula, multiplicando a todos los elementos de la fórmula. Con estos números lograremos igualar el número de átomos de cada elemento en productos y reactivos.

Dichos números deben ser enteros ya que no podemos hablar de una fracción de molécula. Más adelante veremos que si realizamos un estudio a nivel macroscópico (utilizando órdenes de magnitud medibles en un laboratorio: gramos, moles, o litros) sí es aceptable su utilización.

Para el ajuste podemos utilizar dos procedimientos: Por tanteo: Vamos probando hasta encontrar los coeficientes que nos sirvan. Suele facilitar las cosas dejar para el final los átomos que aparecen en más de una sustancia en alguno de los miembros de la ecuación.

TIPOS DE REACCIONES Encontramos muchísimas reacciones químicas diferentes. puesto que es algo inherente a

la ciencia ordenar y clasificarlo todo, ésta no iba a ser una excepción. Dada esta variedad hay bastantes formas de clasificar las reacciones. Vamos a estudiar diversas clasificaciones atendiendo a diferentes criterios. Ten en cuenta que no son excluyentes: una reacción se puede clasificar con todos y cada uno de los criterios, como verás al final de la página.

Debido a su importancia, desarrollaremos de forma más extensa dos de los criterios de clasificación : según la transformación y según la partícula transferida. Aquí tenéis algunos tipos de reacciones:

- Según la velocidad con la que que se desarrolla la reacción: Dependiendo del tiempo que tardan en consumirse los reactivos encontraremos, reacciones rápidas y lentas.

Na + H2O → NaOH Rápida, tarda muy poco en consumir todo el sodio.

Fe + O2 → FeO Lenta, el hierro se oxida con el aire a una velocidad baja.

- Según la energía implicada en el proceso:

Si la reacción desprende energía, la denominamos exotérmica y cuando la absorbe decimos que es endotérmica. Éstas las desarrollamos en el apartado de energía.

H2 + F2 → 2 HF Q= -128.4 KJ Desprende calor, es exotérmica.

C + H2 → C3H6 Q= 20.4 KJ Absorbe calor, es endotérmica.

- Según el sentido de la reacción:

Si la reacción se da sólo de reactivos a productos, nos referimos a ella como irreversible.

Si se da también de productos a reactivos (en ambos sentidos), hablamos de reversible.

NaOH + HCl → H2O + NaCl Irreversible, solo se da en este sentido

N2+ 3H2 ↔ 2NH3 Reversible, hay un equilibrio entre ambas reacciones.

Por ejemplo, el ácido sulfúrico reacciona con la sacarosa de forma algo lenta. Si añadimos agua a esta mezcla, la reacción es rápida. Al principio se va oscureciendo poco a poco y, al añadir agua, se vuelve negra rápidamente. En ambos casos se desprende energía , es exotérmica e irreversible.

SEGÚN EL TIPO DE TRANSFORMACIÓN

Las clasificamos según la transformación o mecanismo por el que se da la reacción:

- Reacciones de combinación o síntesis

Partiendo de dos o más sustancias, producen un solo producto:

H2 + O2 → H2O Fe + Cl2 → FeCl3

- Reacciones de descomposición

Partiendo de un solo reactante, da lugar a varios productos:

H2CO3 → CO2 + H2O H2O2 → O2 + H2O

- Reacciones de desplazamiento o sustitución

Son aquellas en las que algún átomo de una de las sustancias que reacciona es desplazado o sustituido por otro de una sustancia simple:

Na + H2O → NaOH + H2 Co + H2SO4 → H2 + CoSO4

- Reacciones de doble desplazamiento

Es muy parecida a la anterior pero, esta vez, el átomo que entra en la molécula proviene

de un compuesto y el átomo desplazado entra en la molécula del otro compuesto.

H3PO4 + Ca(OH)2 → Ca3(PO4)2+ H2O NaCl + CaNO3 → NaNO3 + CaCl2

Ahora pon en práctica lo aprendido:

Método matemático o de los coeficientes indeterminado: Consiste en asignar una incógnita a cada fórmula y plantear una ecuación para cada elemento. Como es más complicado solo lo usamos cuando el anterior no da resultados. Te desarrollamos el método en el siguiente applet: