TEMA 1
Tema 1. Relación entre la energía y la temperatura
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Guía
del docente
Guía
del docente
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Objetivos de aprendizaje
- Identificar cómo se relaciona
la energía y la temperatura
- Reconocer algunas variables
del sistema climático
Conocimientos previos
requeridos
Se espera que los estudiantes cuenten con
conocimientos sobre:
- Noción de temperatura
- Volumen
- Noción de energía
- Concepto de cambio de estado
físico
Actividades que realizarán los
estudiantes
Plataforma
- Plasmar sus ideas previas
- Lecturas
- Cuestionarios
- Actividades con simulador de
los cambios de estado físico
- Resolución de problemas
Actividades a realizar en el
aula junto con el docente
- Experimento.
- Construcción del modelo
de la expansión térmica del agua.
- Representación gráfica del
modelo de la expansión térmica del agua.
- Actividad de
reflexión grupal para identificar aspectos del sistema climático.
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Objetivos de aprendizaje
Objetivos de aprendizaje- Identificar cómo se relaciona
la energía y la temperatura
- Reconocer algunas variables
del sistema climático
·
Recuperación
de ideas previas
Recuperación
de ideas previas
Esta sección le permitirá explorar las ideas
previas que tiene los estudiantes sobre los conceptos de energía, temperatura y
cambio de estado. Durante la sesión de clase, solicite a los estudiantes
que discutan estas ideas, fomente que ellos argumenten sus afirmaciones.
Preguntas detonadoras:
¿La energía se almacena en los seres vivos y en los aparatos?¿la energía se
puede gastar e incluso recargar?
· 
Rescate
de ideas previas
Rescate
de ideas previas
· Contesta de
forma individual si las siguientes afirmaciones son ciertas o
falsas.
1.1a La energía se almacena en los seres vivos y en los
aparatos.
· Ahora explica
brevemente por qué crees esto.
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Sección de comentarios
Carlos Villarreal Jiménez
La energía la puede adquirir un ser vivo y
transformarla de diversas maneras pero no almacenarla; al menos no por mucho
tiempo.
Invitado1 CMM
La pregunta está planteada de forma muy
general, siendo que existen diversos tipos de energía. Por ello, en los seres
vivos si se almacena energía , tanto química (por el ATP que sirve como
combustible de los músculos), eléctrica (por los iones que se encuentran en
constante movimiento entre los tejidos), incluso lumínica (siendo que en los
ojos tenemos fósforo que nos permite retener más tiempo la luz en sitios de
penumbra o de escasa luz).
Además, ya se sabe que existe energía magnética
y electromagnética en los sistemas y tejidos del cuerpo de los seres vivos, por
lo cual también almacenan energía de ese tipo.
1.1b La energía se puede gastar e incluso recargar.
· Ahora explica
brevemente por qué crees esto.
·
Sección de comentarios
Carlos Villarreal Jiménez
la energía se puede gastar transformándola por
ejemplo de eléctrica a luminosa, mecánica, calorífica etc.
Invitado1 CMM
En efecto la energía se "gasta" y se
puede recargar ya sea en seres vivos o en máquinas.
·
NOTA
PARA EL DOCENTE
NOTA
PARA EL DOCENTE
Dentro del
aula, deberá pedir a los estudiantes que discutan estas ideas argumentando
por qué creen que se almacena o gasta la energía.
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Ahora, imaginen una tina con agua la cual
contiene una resistencia eléctrica conectada. El agua está inicialmente a
una temperatura de 10 oC, pero tras cinco minutos se
incrementa hasta alcanzar los 40 oC. Posteriormente, la
resistencia sigue prendida pero la temperatura del agua se mantiene constante.
¿A qué se debe que la temperatura se mantenga constante?
Exploración
Contenido de la página
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Lectura
previa.
Relación de la energía con
el cambio de estado físico - Papel del ciclo del agua en el clima
- El agua es el líquido más abundante en la
naturaleza, es la única sustancia conocida que puede existir en
estado gaseoso, líquido y sólido dentro de un rango pequeño de
temperatura y presión en la Tierra. Químicamente está formada por dos
átomos de hidrógeno y uno de oxígeno (como se ejemplifica en la
figura 1). A temperatura ambiente, el agua es un líquido inodoro
e insípido que hierve aproximadamente a 100 °C, de esta manera pasa a
estado gaseoso o vapor y se congela alrededor de los 0 °C pasando a
estado sólido.
Figura 1. Modelo de la
molécula del agua
El sólido tiene una forma y
volumen definido, el líquido adopta la forma del recipiente en el que se
encuentra, pero tiene un volumen propio, y finalmente el gas adopta la forma
del recipiente que lo contiene y no tiene volumen propio. Estas
diferencias se deben al espacio que hay entre las moléculas (como se
muestra en la figura 2). En el caso de los sólidos, las moléculas están muy
cercanas porque están fuertemente unidas entre sí, a diferencia de los líquidos
cuyas moléculas se unen con menor fuerza y la distancia entre ellas aumenta. La
fuerza que une a las moléculas de los gases es mínima, lo cual origina que el
espacio entre ellas sea mayor. Cabe señalar que hay otro estado de la materia
denominado plasma, estado equivalente a un gas pero con carga eléctrica
(ionizado). La nomenclatura de los cambios entre estados físicos es la
siguiente (ver figura 3): evaporación si se cambia del estado líquido al estado
gaseoso (condensación si es proceso contrario), fusión si se cambia del estado
sólido al estado líquido (solidificación si es proceso contrario), sublimación
si se cambia del estado sólido al estado gaseoso (deposición si es proceso
contrario).
Figura 2. Diferencia entre
el estado sólido, líquido y gaseoso
Figura 3. Nomenclatura de
los cambios de fase entre el estado sólido, líquido y gaseoso
NOTA: El caso del agua es
especial porque en estado sólido ocupa un mayor volumen que cuando se encuentra
en el estado líquido. Observa este detalle en la siguiente actividad.
- El ciclo del agua es fundamental para que haya
vida en la Tierra y es posible gracias a que la temperatura promedio del
planeta no es demasiado fría ni caliente, de modo tal que el agua está en
su mayoría en el estado líquido. De otra forma toda el agua estaría en su
estado sólido y el planeta sería una gran bola de hielo, o estaría toda
evaporada y, con ello la gran mayoría de los seres vivos de la Tierra no
existirían. El ciclo del agua consiste en los siguientes pasos (figura 4).
1. El agua líquida sobre
la superficie de la Tierra se evapora con la radiación del Sol y se mezcla en
el aire. A la evaporación del agua de los ríos, mares, lagos y océanos hay que
agregar la transpiración vegetal. Esta consiste en la pérdida de agua de las plantas
por medio de evaporación en las hojas.
2. Tras evaporarse y
estar flotando en el aire se condensa y forma las nubes.
3. La presencia de
partículas en la atmósfera fomenta la condensación del agua en pequeños gotas
de agua y cuando la cantidad de agua condensada sobrepasa un límite
(saturación) entonces llueve. La saturación en las nubes es tanta que su peso
provoca que caiga hacia la superficie terrestre en forma de lluvia, proceso
denominado precipitación. Cabe señalar que si la temperatura dentro de la nube
es menor a 0 ºC, el agua se solidifica y, por ende, graniza o nieva.
4. Una porción de agua
de lluvia es absorbida por la superficie terrestre y utilizada por los
seres vivos, animales y vegetales. Para el caso de la nieve, en las estaciones
de calor una fracción de ella se derrite y o se reincorpora a los océanos, o
forman ríos y arroyos. En cualquiera de los casos una porción del agua se
escurren hacia los mantos acuíferos o se vuelve a evaporar y así se inicia
nuevamente el ciclo.
Dada la importancia del ciclo
del agua, en esta práctica a partir de un experimento sencillo que se puede
llevar a cabo en el salón de clases, se estudiará la evaporación del agua.
Además, se observarán los efectos que la salinidad del agua provoca en la
evaporación (como es el caso de la evaporación del agua de mar y los océanos).
- Debido a que el clima es el resultado de la
interacción de diversos elementos y factores atmosféricos como la lluvia,
el viento, la vegetación, las nubes, la altitud, los cuerpos de agua y el relieve,
es importante llevar a cabo una actividad en la que además de entender el
ciclo del agua se analicen los efectos que la salinidad del agua
provocaría en el planeta.
Figura 4. El ciclo del
agua
Relación de la energía
con el cambio de estado físico - Trabajo con un simulador
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NOTA
PARA EL DOCENTE
NOTA
PARA EL DOCENTE
En el simulador, los estudiantes podrán
observar las variables de masa, presión, volumen y temperatura.
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Ahora
ingresa al siguiente simulador pulsando la imagen.
Ahora
ingresa al siguiente simulador pulsando la imagen.
Si no puedes acceder, entonces pulsa el siguiente vínculo
https://phet.colorado.edu/sims/html/states-of-matter-basics/latest/states-of-matter-basics_es.html
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¿Que debes hacer con
el simulador?
¿Que debes hacer con
el simulador?
1.
Ten a la mano un cuaderno para tomar notas.
2.
Ingresa al simulador en la sección de cambio de fase.
3.
Observa detenidamente el simulador e identifica cuáles son las
variables que se presentan.
4.
Explora cada una de las sustancias y pon especial atención en
las diferencias que tienen con la molécula del agua. Para ello,
1. Cambia
una variable a la vez y observa que pasa con cada sustancia.
2. Al
final modifica todas las variables
5. Registra tus observaciones en una tabla
como la siguiente:
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Variables
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|||||
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Sustancia
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Todas
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Neón
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|||||
|
Argón
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|
Oxígeno
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Agua
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Cuestionario previo a la
sesión presencial
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NOTA
PARA EL DOCENTE
NOTA
PARA EL DOCENTE
Evaluación 1. Al término de la revisión
del simulador y previo a la sesión presencial, los estudiantes deberán responder
el cuestionario sobre la idea del papel de la energía y el cambio de estado
físico ¿qué otras variables han identificado?
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· ACTIVIDAD
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Calor latente y calor
sensible
El calor latente y sensible son tipos
de energía liberada o absorbida en un sistema. El calor latente está
relacionado con cambios de fase entre líquidos, gases y sólidos. El calor
sensible es aquel que absorbe o cede un cuerpo o sustancia sin que ocurran
cambios en su estado físico.
El calor latente es la energía
absorbida o liberada por una sustancia o cuerpo durante un cambio de fase de un
gas a un líquido o un sólido y viceversa. Cuando una sustancia cambia su
estado físico de un sólido a un líquido, absorbe energía del medio
circundante y las moléculas o partículas se separan más, dando por resultado
que la sustancia ocupe un mayor volumen y aumente la fluidez. Esto también
sucede cuando una sustancia pasa del estado líquido al gaseoso. En el caso
contrario, si una sustancia cambia de líquido a sólido, o bien, de gas a
líquido, entonces la sustancia emite energía a medida que las
moléculas se acercan, ocupan un menor volumen y disminuye la
energía cinética.
Por ejemplo, cuando el agua hierve en
un recipiente sobre una estufa, absorbe energía de la fuente
de calentamiento (estufa), lo cual origina que las moléculas del agua se
separen y ocurra el cambio de fase líquida a gaseosa, dando lugar a la
formación del vapor de agua. Cuando el agua líquida se coloca en cubetas para
formar cubitos de hielo y se introduce en el congelador, el agua emite energía
a medida que pasa el estado sólido y se convierte en hielo. Esta energía es
eliminada por el sistema de congelación para mantener el congelador frío.
El vapor de agua es un gas de efecto
invernadero ubicado en la atmósfera y un componente muy importante para la
formación de nubes. Si el aire está seco o insaturado, no es probable que se
formen nubes porque hay un mínimo de vapor de agua en el aire. Si el aire está
húmedo o saturado, el vapor de agua se condensará para formar nubes. Cuando
estas moléculas de gas se condensan en gotas líquidas, se libera calor latente
en la atmósfera que calienta el aire que rodea la molécula. Esto ayuda a
aumentar la inestabilidad en la atmósfera y este aire cálido que rodea a la
molécula querrá elevarse. El aire caliente es menos denso que el aire frío
porque las moléculas en el aire caliente se mueven mucho más rápido y se
separan más.
Calor latente en tormentas eléctricas y huracanes
El calor latente juega un papel muy
importante en tormentas eléctricas y huracanes. Las nubes se forman cuando el
aire caliente se eleva y el vapor de agua que contiene se condensa en
partículas llamadas núcleos de condensación de nubes. En ese punto, el aire se
satura. Cuando este aire comienza a subir, el vapor de agua está en fase gaseosa.
Cuando el vapor de agua se condensa para formar nubes, libera calor latente en
la atmósfera. El calor latente luego calienta el aire circundante alrededor de
las nuevas gotas de nubes y causa inestabilidad. El aire cálido alrededor de
las gotas de nubes ahora querrá elevarse y condensarse. Esto aumenta la altura
de la nube y, dependiendo de cuán inestable sea la atmósfera, podrían formarse
tormentas desde estas nubes en crecimiento. Las tormentas eléctricas liberan
enormes cantidades de calor latente que se suma a la inestabilidad de la
atmósfera y ocasiona que algunas tormentas eléctricas se vuelvan severas. En
los huracanes, el calor latente se libera dentro de las nubes del huracán,
calentando el aire dentro de las nubes. Los huracanes se alimentan de esta
liberación de calor latente porque causa inestabilidad dentro de la nube y este
aire cálido querrá elevarse. La tormenta se intensificará o ganará fuerza.
Calor sensible
El calor sensible es la energía
requerida para cambiar la temperatura de una sustancia sin cambio de fase. El
cambio de temperatura puede provenir de la absorción de la luz solar por el
suelo o el aire mismo. O puede provenir del contacto con el aire más caliente
causado por la liberación de calor latente (por conducción directa). La energía
se mueve a través de la atmósfera utilizando calor latente y sensible que actúa
en la atmósfera para impulsar el movimiento de las moléculas de aire que crean
el viento y los movimientos verticales.
En un día con mucho vapor de agua en
el aire (alta humedad), la posibilidad de liberación de calor latente hace que
sea más probable que se desarrollen lluvias convectivas y tormentas eléctricas.
Esta es una de las razones por las cuales las tormentas eléctricas pueden
aparecer en el sureste en los días cálidos y húmedos del verano, incluso cuando
no hay frentes en el área. La lluvia que cae de estas tormentas golpea el suelo
caliente y se evapora, lo que elimina una gran cantidad de energía del suelo y
la enfría.
La
evaporación del sudor en humanos y animales también conduce a un enfriamiento
de la superficie de la piel en los días calurosos. La evaporación es más
efectiva cuando hay algo de viento para alejar la humedad del área de la piel.
Sin embargo, en condiciones realmente calurosas, el cuerpo puede cerrarse y
dejar de producir sudor. Esto es particularmente cierto cuando se encuentra en
áreas de luz solar brillante, lo que aumentará su temperatura debido al calor
sensible liberado al absorber la radiación solar en su piel. En ese caso, la
temperatura del cuerpo puede aumentar muy rápidamente y causar hipertermia o
golpe de calor, lo que puede provocar la muerte. Es por eso que necesita
mantenerse hidratado y tomar descansos frecuentes a la sombra mientras trabaja
al aire libre en los días más calurosos y buscar ayuda médica de inmediato si
deja de sudar en condiciones de calor.
Modelación - Explorar II
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Expansión
térmica del agua
·
NOTA
PARA EL DOCENTE
NOTA
PARA EL DOCENTE
Actividad experimental sobre
la expansión térmica del agua. El estudiante tomará nota de las variables
observadas y su comportamiento, graficará y comparará con el modelo matemático.
Realizará una reflexión grupal y una individual.
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Actividad experimental
Tiempo realización: 
45 minutos
45 minutos
Forma de trabajo: 
Equipo de 4 personas
Equipo de 4 personas
·
Objetivo:
Establecer la
relación matemática entre el cambio de temperatura y el cambio en el volumen de
una masa de agua.
·
¿Qué necesito?
- Una botella de vidrio con tapa
hermética de preferencia de 600 mL o menos
- Un repuesto transparente de
bolígrafo sin tinta o un popote usado de aproximadamente 3 mm de diámetro
(algunas bebidas como el café se venden en vasos desechables con popotes
muy delgados).
- Un termómetro
- Colorante vegetal verde o azul
- Un clavo estándar (2 1/2”)
- Un martillo
- Pistola de silicón con
silicón.
- Encendedor
- Una jarra mediana de plástico
- Un frasco gotero usado (las
gotas para los ojos se comercializan en frascos gotero).
- Agua del grifo
- Alcohol (más de 100 ml)
- Dos latas de aluminio
- Navaja o tijeras afiladas
- Regla o vernier
- Plumón oscuro
- Pocillo de metal
- Cinta de teflón
- Taza medidora o vaso de precipitado con escala en ml
·
Preparación
de los dispositivos a usar en el experimento
·
Elaboración de la lámpara de alcohol
- Cortar las dos latas de
aluminio transversalmente a una distancia de entre 2 y 3 cm de su base
- Insertar una de las bases
dentro de la otra.
- Hacer perforaciones con el
clavo y el martillo como se muestra en la ilustración
- Verter un poco de alcohol en
el centro para rellenar la estufa. Para encenderla, se precalienta
colocando la flama del encendedor bajo la base de la estufa para evaporar
parte del alcohol.
·
·
Preparación del dispositivo experimental
1. Has dos
orificios en la tapa de la botella con un metal al rojo vivo, por ejemplo dos
desarmadores o clavos de distinto ancho, uno para perforar un orificio para que
entre el termómetro y el otro para que entre el tubo de plástico.
2. Inserta
el termómetro por el orificio de la tapa hasta donde se pueda sin cubrir la
escala de temperatura.
3. Introduce el tubo aproximadamente un par de centímetros para
que pueda estar inmerso en el agua con la que se llenará la botella.
3. Enseguida, sellar con el silicón alrededor del termómetro y
popote por ambos lados de la tapa.
4. Espera a que el pegamento esté bien seco y
coloque la tapa en la botella. El dispositivo ya está listo para usarse.
Experimento
·
1. Vierte agua de la llave en una jarra mediana de
plástico, la cantidad de agua debe ser suficiente para llenar
la botella de plástico. Después agrega varias gotas de colorante
vegetal hasta que la coloración del agua sea muy intensa y mueve el
líquido contenido en la jarra para que la coloración sea uniforme.
2. Llene por
completo la botella. Cerrar la botella con la
tapa hasta que selle bien, si hace falta se puede enrollar cinta de teflón
alrededor de la boca de la botella para evitar las filtraciones de agua por el
espacio entre la tapa y la botella de vidrio.
4. Una vez ensamblado el dispositivo, se deja reposar unos
minutos para tomar la temperatura inicial del agua.
5. Enciende la estufa y coloca sobre esta un recipiente metálico
con un poco de agua en donde a su vez se introduce la botella (baño maría) o
puede colocarse la botella directamente al fuego (siempre y cuando ésta sea de
vidrio).
6. Registrar la altura del agua en el tubo en intervalos de 1 °C
hasta donde sea posible, entre más datos se consigan la gráfica saldrá mejor.7.
Conforme aumenta la temperatura del líquido, observarán como ascienden el agua
por el tubo, ya que se expande. Tomando varias mediciones es posible calcular
el coeficiente de expansión volumétrica para cada intervalo detemperaturas.
·
Registra tus observaciones y reflexiones del experimento en el
siguiente enlace:
Tarea - En proceso
Siga las instrucciones que a
continuación se describe:
|
Título
|
1.3 Reporte
experimento expansión térmica
|
|
Fecha de Entrega
|
31/12/2018 05:00 pm
|
|
Número de reenvíos
permitidos
|
0
|
|
Estatus
|
En proceso
|
|
Escala de
calificaciones
|
No hay calificación
|
|
Modificado por el
profesor
|
6/02/2018 12:57 pm
|
Instrucciones
1. Registra el resultado de tus
observaciones experimentales
|
Temperatura (°C)
|
Altura del agua (cm)
|
|
|
2. Realiza una gráfica con
los datos de temperatura y altura del agua (pega la gráfica como imagen y
adjunta el archivo en excel)
3. Describe qué ocurrió
cuando el dispositivo se colocó bajo el sol.
4. Explica con tus propias palabras
qué es la expansión térmica del agua.
5. ¿Es posible que un aumento en la
temperatura ambiente pueda provocar la expansión térmica del agua?
6. ¿Cómo crees que cambió la energía
al incrementar la temperatura del agua? Justifica tu respuesta.
7. Discute con tus compañeros de grupo
cómo cambia la densidad del agua de mar cuando los océanos se calientan y se
expande el agua.
8. Discute con tus compañeros de grupo
qué consecuencias medioambientales y sociales ocasiona el incremento del nivel
del mar.
8. Por último, incorpora el
registro fotográfico de la realización de tu experimento.
Envío
Empezar Evaluación
"1.4 Ejercicio simulador, problemas y reflexión final"
para FísicaCC
Deberás realizar algunos cálculos para la realización de esta actividad, ten a la mano tus notas y un cuaderno.
|
Este exámen esta disponible vence lunes,
2018-dic-31 12:00 AM.
|
|
No existe límite de tiempo.
|
|
Puedes enviar este examen un número ilimitado de veces. La
puntuación más alta será almacenada.
|
Cierre - Evaluación
Contenido de la página principal
·
NOTA PARA EL DOCENTE
NOTA PARA EL DOCENTE
Se proporciona una lectura final
relacionada la energía con el funcionamiento del clima que busca que los
estudiantes identifiquen aquellos conceptos que fueron revisados en este tema.
En una actividad de reflexión se busca identificar si los estudiantes pueden
relacionar lo aprendido en los proceso naturales con el clima.
·
Funcionamiento del clima
El clima terrestre
es producto de la interacción la energía solar solar con sus componentes:
la atmósfera, los océanos, las superficies de hielo y nieve,
los continentes y, muy importante, la vida en el planeta. La fuente
de energía más importante para que funcione el sistema climático es el
Sol. La temperatura promedio global depende directamente de la cantidad
de radiación solar, así como de la posición e inclinación de la Tierra con
respecto al Sol.
Aunque el Sol tiene
un ciclo de 11 años en el cual la radiación solar oscila, esta varía
cuando mucho 0.1% , con lo que la temperatura promedio de nuestro planeta
se ha mantenido prácticamente a 14°C desde hace aproximadamente 10 mil
años. De hecho, durante los dos mil últimos años la temperatura global ha
variado menos de 0.4°C. Es importante aclarar que aunque la temperatura media
global se ha mantenido prácticamente constante en los últimos milenios, la
temperatura local tiene variaciones.
Además de la
radiación solar, se examinarán a detalle los otros dos
componentes principales del sistema climático: la atmósfera y el ciclo del
agua. La atmósfera es una delgada capa de gases que cubre la Tierra, está
constituida por varios gases (en su mayoría oxígeno y nitrógeno) que
varían en cantidad según la altura. El 75% de la masa atmosférica se
encuentra en tan solo los primeros once kilómetros de altura. Por ello, la
atmósfera aparenta ser una capa muy delgada en comparación con la Tierra
(menos del 0.2% del radio terrestre).
La atmósfera no
solo contiene la capa de ozono que nos protege de mucha de la radiación
solar ultravioleta, sino que es un elemento esencial para mantener la vida
en el planeta. Sin la atmósfera terrestre la temperatura promedio en la
Tierra sería de -18 °C, con lo cual la Tierra sería una gran roca
congelada. Además, gracias a la atmósfera se puede llevar a cabo el ciclo
del agua sin que el vapor de agua se pierda en el espacio exterior.
El agua es el
líquido más abundante en la naturaleza, es la única sustancia conocida que
puede existir en estado gaseoso, líquido y sólido dentro de un rango
pequeño de temperatura y presión en la Tierra. A temperatura ambiente, el
agua se encuentra en estado líquido que se evapora aproximadamente a 100
°C y se congela alrededor de los O °C. El ciclo del agua se define como
la secuencia de fenómenos por medio de los cuales el agua pasa de la
superficie terrestre a la atmósfera para luego regresar a la superficie.
La tropósfera, que
es (una de las capas de la atmósfera), está compuesta en su mayoría por
nitrógeno y oxígeno, también contiene pequeñas cantidades de los llamados
“gases de efecto invernadero”. Estos gases (principalmente vapor de agua,
dióxido de carbono y metano) absorben y regresan de vuelta hacia la Tierra
una fracción de la energía infrarroja que la superficie terrestre y los
océanos habían emitido, a este proceso se le conoce como el “Efecto
Invernadero” y es el que permite que la temperatura en la Tierra sea
apropiada para la vida como la conocemos.
·
ACTIVIDAD
Contesta las siguientes
preguntas:
