Examen Tipo 3 — Modelo CES Don Bosco (Segunda parte)

Adaptado del modelo de examen del Centro de Enseñanza Superior Don Bosco (UCM).

Duración orientativa: 45 minutos · Puntuación total: 4 puntos Las preguntas se pueden contestar en el orden que se quiera. Entre paréntesis se indica el valor máximo de cada apartado.

A. Competencia científica (0,75 puntos)

¿Qué es la competencia científica? Defínela y pon un ejemplo de una situación en la que se pueda poner de manifiesto dicha competencia. Explica la relación de este ejemplo con la definición previa.

B. El cubo de plomo (1,5 puntos)

Tenemos un objeto de plomo de 28 g que lleva toda la mañana en una habitación que está a 19 °C. Metemos el objeto en el horno. Pasado un rato, el objeto se ha fundido por completo.

i. (0,2) En ese instante, cuando termina de fundirse, ¿en qué estado está el plomo y qué temperatura tiene?
ii. (0,5) Explica qué ha ocurrido en términos de energía. Para ello, emplea el concepto de principio de conservación de la energía y el de energía térmica.
iii. (0,3) ¿Qué mecanismo o mecanismos de transferencia de calor han intervenido en este proceso? Justifica tu respuesta.
iv. (0,5) Calcula cuánta energía térmica ha intervenido en todo el proceso desde que se metió el objeto en el horno.

C. La ropa que se seca (1 punto)

Ayer por la mañana tendiste la ropa limpia que estaba mojada. Esta mañana ya estaba seca. Explica qué ha ocurrido tanto desde una perspectiva macroscópica como desde una perspectiva microscópica empleando la teoría cinético-corpuscular.

¿Ocurre lo mismo cuando pones agua a hervir en tu cocina? ¿Qué tienen en común estos dos procesos? ¿En qué son diferentes?

D. Ley de gravitación universal (0,75 puntos)

Escribe la fórmula de la ley de gravitación universal explicando qué significa cada símbolo e indicando las unidades de cada una de las magnitudes que aparecen en ella. Explica con palabras qué información recoge dicha fórmula y cuándo se aplica.

¿Qué relación hay entre esta expresión y el peso?

SOLUCIONES

▶ Mostrar todas las soluciones

A. Competencia científica

La competencia científica es la capacidad de movilizar el conocimiento científico (teórico, procedimental y actitudinal) de forma integrada para resolver retos de la vida diaria de manera eficaz. Cuanto más eficaces seamos en resolver retos, más competencia científica demostraremos.

Ejemplo: una planta de casa no crece, tiene hojas amarillas y se le caen.

Conocimiento teórico: las plantas necesitan luz y agua para hacer la fotosíntesis; el exceso de riego pudre las raíces.
Conocimiento procedimental: observo la ubicación (¿le llega luz?), toco la tierra (¿está encharcada?), busco la especie en internet y planifico: muevo la planta y ajusto el riego.
Conocimiento actitudinal: muestro curiosidad por entender por qué le pasa esto y persevero hasta que mejora; reviso si lo que hago funciona.

Si la planta se recupera, he resuelto el problema aplicando integradamente lo que sé: justo lo que define la competencia científica.

B. El cubo de plomo

i. Estado líquido (acaba de fundirse). Temperatura = 327 °C (punto de fusión del plomo).

ii. La fuente de calor del horno cede energía al cubo en forma de calor, porque está a mayor temperatura. La energía térmica del cubo (suma de Ec y Ep microscópicas de sus partículas) aumenta:

Primero, esa energía sube la Ec vibracional de las partículas → la T pasa de 19 °C a 327 °C.
Después, a 327 °C, la energía se invierte en aumentar la Ep de las partículas (rompe la red cristalina). La T es constante mientras dura la fusión.

Por el principio de conservación de la energía, la energía no se crea ni se destruye: la que pierde la fuente de calor es la que gana el plomo (suponiendo que no haya pérdidas).

iii. Intervienen los tres mecanismos:

Radiación: las paredes incandescentes del horno emiten IR que el cubo absorbe. Es el mecanismo dominante en un horno cerrado.
Convección: el aire caliente del horno circula y choca contra el cubo cediéndole energía.
Conducción: el cubo está apoyado en una bandeja/rejilla caliente → transferencia directa por contacto.

iv. Con $c_{Pb} = 130$ J/(kg·K) y $L_{f,Pb} = 24\,500$ J/kg:

$Q_1 = m \cdot c_{Pb} \cdot \Delta T = 0{,}028 \cdot 130 \cdot (327 - 19) = 1\,121{,}12 \text{ J}$

$Q_2 = m \cdot L_{f,Pb} = 0{,}028 \cdot 24\,500 = 686 \text{ J}$

$\boxed{Q_{total} = Q_1 + Q_2 \approx 1\,807 \text{ J}}$

C. La ropa que se seca

Macroscópicamente: el agua que mojaba la ropa pasa al estado gaseoso (se evapora) y se la lleva el aire. Al final, la ropa está seca.

Microscópicamente (teoría cinético-corpuscular): las partículas de agua líquida tienen distintas energías cinéticas. Las más rápidas, sobre todo en la superficie, vencen las fuerzas de cohesión y escapan al aire en forma de vapor. La energía que se llevan la roban del propio líquido (de ahí la sensación de frescor al secarnos) y del entorno.

Comparación con el agua hirviendo:

En común: en ambos casos el agua pasa de líquido a gas → es una vaporización. En ambos procesos las partículas adquieren energía suficiente para escapar de la fase líquida.
Diferencias: la ropa secándose es evaporación (solo en la superficie, a cualquier temperatura, lentamente). La olla hirviendo es ebullición (en toda la masa, con burbujas también en el interior, solo al alcanzar el punto de ebullición —100 °C a 1 atm—, de forma rápida).

D. Ley de gravitación universal

$\boxed{F = G \cdot \frac{m_1 \cdot m_2}{r^2}}$

Símbolo	Significado	Unidad SI
$F$	Fuerza gravitatoria con la que dos cuerpos se atraen	newton (N)
$G$	Constante de gravitación universal = $6{,}674 \cdot 10^{-11}$	N·m²/kg²
$m_1, m_2$	Masas de los dos cuerpos que interactúan	kilogramo (kg)
$r$	Distancia entre los centros de los dos cuerpos	metro (m)

Qué dice la fórmula: dos cuerpos cualesquiera con masa se atraen mutuamente con una fuerza proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. Es una fuerza de acción a distancia que actúa entre cualquier par de cuerpos con masa del universo.

Relación con el peso: el peso de un cuerpo es la fuerza gravitatoria con la que un astro lo atrae hacia su superficie. Es un caso particular de la gravitación universal con $m_1 = M_{astro}$ y $r$ = distancia desde el centro del astro al cuerpo (en superficie, su radio).

De ahí sale $P = m \cdot g$ , porque:

$P = \frac{G \cdot M_{astro} \cdot m}{r^2} = m \cdot \underbrace{\frac{G \cdot M_{astro}}{r^2}}_{g}$

La $g$ es la aceleración gravitatoria que produce el astro a esa distancia (≈ 9,8 m/s² en la superficie de la Tierra).

Criterios de calificación orientativos

Definir conceptos clave con vocabulario físico correcto: 30 %
Razonamiento integrado (macro + micro / fórmula + interpretación): 40 %
Cálculo numérico con unidades coherentes: 30 %