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UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITECNICA “ANTONIO JOSE DE SUCRE”

VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ CÁTEDRA: QUÍMICA I

Química I es una materia dirigida a aquellos estudiantes que tienen ciertas aptitudes adquiridas durante etapas previas al primer semestre, sin embargo, experiencias anteriores demuestran que algunos llegan con debilidades, que deben ser compensadas; pensando en ello antes de iniciar cualquier clase de crítica sobre la profundidad del material, quiero aclarar que esta guíale servirá para repasar algunos conceptos básicos, relativos al sistema métrico, es una guía breve, con un contenido suficiente para refrescar esos conocimientos oxidados quizás por falta de práctica, u otras causas, teniendo por objetivo ser solo un material de apoyo adaptada a un lenguaje MUY sencillo y simple para un entendimiento eficaz que permita compensar aptitudes útiles para las unidades 2, 3, 4 y 5 de la materia. UNIDAD 0: SISTEMA MÉTRICO

Magnum est ut inter sense colloqui possint periti in scientiae rebus

¿Cuesta trabajo leer estas líneas? Es una oración clara y concisa, aunque probablemente no entiendas el idioma en el que esta escrita. Expresa algo simple pero importante. La ciencia es un tema mundial y los ingenieros provienen de todos los rincones de la tierra – Para trabajar juntos y poder entenderlo que hacen, deben poder comunicarse – y hablar un mismo lenguaje. Las líneas del inicio que están en latín dicen:

Es importante que los científicos Puedan comunicarse entre si El metro – El idioma internacional de medida.

Anteriormente cada región utilizaba unidades de medición propias; esto era un impedimento al momento del intercambio de tecnología entre regiones de saberes diferentes. Es importante que las medidas sean concisas y se puedan comunicar fácilmente. Por eso se desarrollo un sistema de medidas con unidades estándar para evitar confusión. Ese sistema es el Sistema Métrico, también llamada Sistema de Unidades Internacional, o S.I. como es de esperar no a todos las regiones les pareció y hubo quienes se abstuvieron y decidieron mantener su sistema de unidades es por ello que existe un sistema paralelo al SI que es el conocido Sistema Ingles. (Al final de la guía he anexado algunas tablas, por favor dele una ojeada a las tablas 1.1 y 1.2 antes de continuar para que tenga nociones sobre lo que son las unidades básicas del sistema ingles e internacional). Una de las características más valiosas del sistema SI es que (con la excepción del tiempo) las unidades y sus múltiplos y submúltiplos se relacionan mediante factores estándar designados por prefijos (indicados en la Tabla 1.3 del anexo).

El sistema métrico es simple de usar, es decimal; es decir que está basado en el numero 10 y sus múltiplos. Los ingenieros, usan unidades métricas para medir la longitud, el volumen, la masa, el peso, la densidad y la temperatura.

La Longitud.

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kilo-, significa mil, hay 1000 metros en un kilometro, la longitud del Nilo es de 6649 Km aproximadamente.

El volumen.

El volumen es la cantidad de espacio que ocupa un objeto. En el sistema métrico, la unidad básica de volumen es el litro (L). Para medir volúmenes pequeños se usa el mililitro (mL). Recuerda el prefijo mili- significa milésima. Así que hay 1000 mililitros en un litro. Los litros y los mililitros se usan para medir el volumen de los líquidos. Por supuesto, también se necesita medir el volumen de los sólidos. Para esto se usa el centímetro cubico (cm3 o cc). Un centímetro cubico tiene el volumen de un cubo que mide 1 centímetro de lado. Un centímetro cubico es exactamente igual en volumen a un mililitro. Por eso los centímetros cúbicos pueden usarse para medir tanto el volumen de los líquidos como de los sólidos.

La masa.

La masa es la medida de cantidad de materia que tiene un objeto. La unidad básica de masa es en el sistema métrico es el kilogramo (kg), este sirve para medir la masa de objetos grandes. Para medir la masa de objetos pequeños (como una moneda por ejemplo) se usa el gramo (g). Recordemos lo que significa el prefijo kilo-, un kilogramo tiene 1000 gramos. Para medir objetos mucho más pequeños se utiliza la unidad métrica miligramo (mg). Recordemos el prefijo mili-, que significa milésima, hay 1000 mg en un gramo.

El peso.

El peso es la medida de la atracción entre dos objetos producida por la gravedad. Nuestro peso es la medida de la fuerza que ejerce la tierra sobre nosotros. La unidad básica de peso de sistema métrico es el newton (N), llamado así por Isaac Newton, quien descubrió la fuerza de gravedad. El newton se usa porque mide la fuerza, y el peso es la intensidad de la fuerza que la gravedad de la tierra ejerce sobre un objeto.

La densidad.

A veces es necesario comparar sustancias basándose en su masa y en su volumen. La relación entre la masa y el volumen se llama densidad. La densidad es la cantidad de masa por unidad volumen. No es tan complicado como suena. La siguiente formula muestra la relación entre densidad, masa y volumen puede ayudarte a entenderlo:

Imagina que una sustancia tiene una masa de 10 gramos y ocupa un volumen de 10 cm3, sustituyendo en la formula obtendríamos la densidad:

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La temperatura.

La temperatura de un cuerpo es una medida de su estado térmico considerado como su capacidad para transferir calor a otros cuerpos. Trabajaremos con 4 unidades de temperatura, dos basadas en una escala relativa (grados Celsius y Fahrenheit) y dos basadas en una escala absoluta (Kelvin y grados Rankine).

El análisis dimensional.

A pesar de que la guía nace de la cátedra de química por ser una cátedra de carácter cuantitativo, me permito recordarle que a lo largo de su carrera siempre necesitara del buen manejo de unidades, sin importar que rama de ingeniería este usted estudiando. Por ello un buen manejo de las unidades le permitirá un mejor desenvolvimiento en el medio de su carrera. Tenga eso presente al momento de pensar que con solo leer está invirtiendo un poco de su tiempo para su futuro, no estudiando para pasar un examen, por lo tanto le pido que por favor “analice y no memorice” su función en el futuro será precisamente esa analizar, no memorizar.

Para el estudio del análisis dimensional y la conversión de unidades hay que tener claro la diferencia que existe entre lo que son las dimensiones y las unidades; las dimensiones son nuestros conceptos básicos de medición, como longitud, tiempo, masa, temperatura, etc.; las unidades son la forma de expresar las dimensiones, como pies o centímetros para la longitud, u horas o segundos para el tiempo. Las reglas para el manejo de las unidades son en esencia muy sencillas.

El análisis dimensional sirve para convertir una unidad en otra. Eso implica determinar en qué unidades se presenta un problema, en que unidades deberá expresarse la respuesta, y el factor a usar para la conversión. Solo se pueden convertir unidades de medida equivalentes. Es imposible convertir longitud a temperatura. Para realizar un análisis dimensional se debe usar un factor de conversión. Ese factor es una fracción que siempre es igual a 1. Por ejemplo: 1 kilometro es igual a 1000 metros. La fracción 1 kilometro/1000 metros es igual a 1. Aunque se invierta el orden, es igual a 1, 1000 metros entre 1 kilometro es igual a 1.

No es tan complicado como parece por ejemplo se deben convertir 7500 gramos a kilogramos; el factor de conversión que se escoja debe contener una relación entre gramos y kilogramos, tendríamos solo 2 posibilidades:

Para convertir una unidad métrica a otra se debe multiplicar la cantidad dada por el factor de conversión. Al multiplicar el número por 1 el valor de la cantidad no cambia, solo cambian las unidades.

Continuando con el caso anterior, el factor de conversión que se debe de usar para cambiar 7500 gramos a kilogramos, se debe usar una fracción cuyo denominador (el numero de abajo) tenga las mismas unidades que el numero a transformar, como en este caso, se va a convertir gramos a kilogramos, el denominador del factor de conversión debe estar expresado en gramos y el numerador en kilogramos.

El primer paso del análisis dimensional es escribir la cantidad dada, y multiplicarlo por el factor de conversión apropiado:

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El último paso es multiplicar:

- Suma, resta e igualdad.

“Sólo es posible sumar, restar o igualar cantidades si las unidades de dichas cantidades pertenecen a la misma dimensión y tienen las mismas unidades”

Así pues, operaciones como:

10 metros + 10 kilogramos

No puede efectuarse porque tanto las dimensiones como las unidades de los dos términos son distintas. La operación numérica

10 libras + 5 gramos

sí puede efectuarse (porque las dimensiones son las mismas, masa) pero sólo después de transformar las unidades de modo que sean iguales, ya sea libras a gramos o viceversa.

- Multiplicación y división

“Podemos multiplicar o dividir unidades distintas a voluntad, como por ejemplo 50kg.m/s pero no podemos cancelar ni combinar unidades si no son idénticas”.

Así, se puede convertir a y luego a 50m. Las unidades tienen un contenido de información significativo que no podemos ignorar; también sirven como guías para la resolución eficiente de problemas, como veremos en breve.

“Cuida tus unidades y ellas cuidaran de ti” Ejemplos. Realice las siguientes operaciones.

a. 5 s + 10 g b. 3 cm + 10 mm

Solución.

a. Sé habrá percatado que las dimensiones son diferentes, segundos pertenece a la dimensión de tiempo, mientras que gramos pertenece a la dimensión de masa por tanto no se pueden sumar, pues no tendría lógica alguna.

b. En este caso se puede observar que ambas unidades pertenecen a la misma dimensión pero sus unidades son diferentes, por tanto se puede realizar la operación si llevamos las cantidades a una unidad en común; por ejemplo ambas cantidades podrían trabajarse en mm, siendo esto así: 3 cm = 30 mm. Ya teniendo ambas cantidades en mm podemos proceder a realizar la operación.

30 mm + 10 mm = 40mm.

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ejemplo: N·m para newton metro). El punto puede omitirse en el caso de unidades muy conocidas.

Al multiplicar 2 unidades similares se mantiene la unidad y se suman los exponentes de la unidad (si la unidad no tiene exponente se asume que es 1) por ejemplo: para el cálculo del área (A) de un rectángulo se tiene que A=b·h donde b es la base y h la altura del rectángulo si se tiene una rectángulo de altura 5 m y de base 2 m; el cálculo del área seria: A=5m·2m=10m2

Caso contrario al dividir, en cuyo caso al dividir se realiza una resta de exponentes que como recordaran se hace restando al exponente de la unidad del numerador, el exponente de la unidad del denominador, aclaremos un poco esto con un ejemplo; retomando el caso del rectángulo, si se tiene un área de 100m2 y una base de 50m y se desea conocer la altura, primero procedemos a despejar y posteriormente a calcular la altura se tendría inicialmente que y despejando:

Nótese que se resta el exponente del numerador 2 menos el exponente del denominador 1.

Ejemplo: Si un avión viaja al doble de la velocidad del sonido (suponga que la velocidad del sonido es de 1100 pies/s), ¿cuál es su velocidad en millas por hora?

Solución:

V|Luz = 1100pies/ s

Empezamos por analizar lo que necesitamos la velocidad del avión es el doble de la velocidad de la luz por lo tanto se multiplica la V|Luz por 2

V|Avion= 2. V|Luz= 2200 pies/s

No dudo en que usted sabrá que simboliza que el avión recorre 2200 pies por cada segundo. Lo que puede representarse como

En la tabla 2.1 se encuentran como ya dije algunos de los factores más sencillos fíjese que 5280pies equivalen a 1 milla. Ese factor de conversión es una relación para llevar de pies a milla.

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Cantidad Física Nombre de la Unidad Símbol

o Definición

Longitud Metro m

Masa Masa kg

Tiempo Segundo s

Temperatura Kelvin K

Cantidad de

Sustancia Mol mol

Energía Joule J

Fuerza Newton N

Potencia Watt W

Densidad Kilogramo por metro cubico

Velocidad Metro por segundo

Aceleración Metro por segundo alcuadrado

Presión Newton por metro cuadrado ó

Pascal ; Pa

Capacidad

Calorífica Joule por kilogramo kelvin

Unidades Alternativas

Tiempo Minuto, hora, día, año m, h, d, a

Temperatura Grado Celsius ºC

Volumen Litro (dm3) L

Masa Tonelada (Mg), gramo t, g

Tabla. 1.2. Unidades del Sistema Estadounidense de ingeniería

Cantidad Física Nombre de la Unidad Símbolo

Unidades básicas

Longitud Pie Ft

Masa Libra masa lbm

Fuerza Libra fuerza lbf

Tiempo Segundo, hora s, h

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Unidades derivadas

Energía Unidad térmica británica ó pie libra

fuerza Btu

Potencia Caballo de fuerza Hp

Densidad Libra masa por pie cubico

Velocidad pie por segundo

Aceleración Pie por segundo al cuadrado

Presión Libra fuerza por pulgada cuadrada ; psi

Capacidad Calorífica

Btu por libra masa por grado farenheit

Tabla 2.1 Factores de Conversión

(léase en sentido horizontal)

Volumen

pulg3 ft3 Galón de Estados

Unidos Litros m3

1 5,787x10-4 4,329x10-3 1,639 x10-2 1,639 x10-5

1,728x103 1 7,481 28,317 2,832 x10-2

2,31x x10-2 0,134 1 3,785 3,785 x10-3

61,024 3,531 x10-2 0,264 1 1 x10-3

6,102 x104 35,31 264,172 1000 1

Masa

Onza Libras Granos Gramos

1 6,25x10-2 4,375x102 28,35

16 1 7 x103 4,536 x102

2,286 x10-3 1,429x10-4 1 6,48 x10-2

3,527x10-2 2,20 x10-3 15,432 1

Media Lineal

Metro Pulgada Pie Milla

1 39,37 3,281 6,214 x10-4

2,54 x10-2 1 8,333 x10-2 1,58x10-5

0,305 12 1 1,894x10-4

1,61x103 6,336 x104 5280 1

Presión

mmHg pulgHg Bar Atm kPa psia

1 3,937x10-2 1,333x10-3 1,316x10-2 1,333x10-1 1,934x10-2 25,4 1 3,386 x10-2 3,342 x10-2 3386,39 4,911 x10-1

750,064 29,53 1 9,869x10-1 100 14,504

760,002 29,921 1,013 1 101,325 14,696

7,5 2,95 x10-1 1 x10-2 9,869 x10-3 1 1,45 x10-1 51,715 2,036 6,895 x10-2 6,805 x10-2 6,895 1

Constante de los gases ideales, R

1,987 1,987

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82,06 0,08206

21,9 0,7302

Tabla 1.3. Prefijos de SI Prefij

o

Símbo lo

Facto r

Prefij o

Símbo lo

Facto r

Giga 109 G Deci d 10-1

Mega 106 M Centi c 10-2

Kilo 103 k Mili m 10-3

Hect

o 10

2 h Micro µ 10-6

Deca 10 d Nano n 10-9

Referencia Bibliográfica:

- David M. Himmelblau. Principios Básicos y Cálculos en Ingeniería Química. Sexta Edición. Editorial Prentice Hall.

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Tabla 2.1 Factores de Conversión (léase en sentido horizontal)

Tabla 2.1

Factores de Conversión (léase en sentido horizontal) p.8

Referencias

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