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Comunidad de Madrid · 2025

Examen de Física y Química — Madrid 2025: enunciado y solución comentada

Proceso selectivo SEC-FP-RE 2025 · ejercicio práctico (21/06/2025)

El ejercicio práctico de la oposición de Física y Química de la Comunidad de Madrid de 2025 constó de seis problemas, calificados de 0 a 10 puntos cada uno, siendo la nota del ejercicio la media aritmética de los seis. Tres problemas fueron de química (equilibrio y ácido-base, termodinámica de un gas ideal y equilibrios de solubilidad con formación de complejos) y tres de física (dinámica de rotación, ondas estacionarias y electrostática con la ley de Gauss). Abajo tienes el enunciado completo y la resolución paso a paso de cada uno.

Fuente del enunciado. Documento oficial del proceso selectivo SEC-FP-RE 2025, cuerpo 590, especialidad 007 (Física y Química), Comunidad de Madrid, prueba celebrada el 21 de junio de 2025. El enunciado se reproduce por su interés informativo; las soluciones son de elaboración propia y no proceden de los criterios de corrección oficiales ni de ninguna academia.

Instrucciones originales. «Han de resolverse los SEIS PROBLEMAS, cada uno de los cuales se calificará de 0 a 10 puntos. En caso de tener varios apartados, la calificación de cada uno de ellos será la que figure en el texto y de no figurar ninguna se entenderá el mismo valor para todos. La calificación del ejercicio será la correspondiente a la media de las puntuaciones obtenidas en cada uno de los problemas.»

Problema 1 — Equilibrio en fase gaseosa, fórmula molecular y pH

Enunciado

En un recipiente de 10 litros se introducen 2 mol de una sustancia A y 1 mol de B, que se transforman en C de acuerdo a la siguiente reacción:

A(g)+3B(g)2C(g)\mathrm{A\,(g)} + 3\,\mathrm{B\,(g)} \rightleftharpoons 2\,\mathrm{C\,(g)}

Después de calentar a 227 ºC, se llega a un equilibrio en el que el número de moles de B es igual al de C.

Datos: masas atómicas relativas Ar(H)=1,01A_r(\mathrm{H}) = 1{,}01, Ar(N)=14,01A_r(\mathrm{N}) = 14{,}01; constante de basicidad del compuesto C, pKb=4,75pK_b = 4{,}75; constante de los gases ideales R=0,082 atmLK1mol1=8,31 JK1mol1R = 0{,}082\ \mathrm{atm\,L\,K^{-1}mol^{-1}} = 8{,}31\ \mathrm{J\,K^{-1}mol^{-1}}; densidad del compuesto C, d=0,73 kg/m3d = 0{,}73\ \mathrm{kg/m^3}; número de Avogadro 6,0221023 mol16{,}022\cdot 10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}.

Solución

a) Composición en el equilibrio y presiones

Planteamos la tabla de moles con el grado de avance xx (moles de A que reaccionan):

ABC
Inicial210
Cambiox-x3x-3x+2x+2x
Equilibrio2x2-x13x1-3x2x2x

La condición del enunciado, nB=nCn_\mathrm{B} = n_\mathrm{C}, fija el avance:

13x=2x    x=0,20 mol1 - 3x = 2x \;\Longrightarrow\; x = 0{,}20\ \mathrm{mol} nA=1,80 mol,nB=nC=0,40 mol,ntotal=2,60 moln_\mathrm{A} = 1{,}80\ \mathrm{mol}, \qquad n_\mathrm{B} = n_\mathrm{C} = 0{,}40\ \mathrm{mol}, \qquad n_\text{total} = 2{,}60\ \mathrm{mol}

Con T=227 C=500 KT = 227\ ^\circ\mathrm{C} = 500\ \mathrm{K} y V=10 LV = 10\ \mathrm{L}, la ecuación de los gases ideales da directamente la presión parcial de B y la presión total:

pB=nBRTV=0,400,08250010=1,64 atmp_\mathrm{B} = \frac{n_\mathrm{B}RT}{V} = \frac{0{,}40\cdot 0{,}082\cdot 500}{10} = 1{,}64\ \mathrm{atm} ptotal=ntotalRTV=2,600,08250010=10,66 atmp_\text{total} = \frac{n_\text{total}RT}{V} = \frac{2{,}60\cdot 0{,}082\cdot 500}{10} = 10{,}66\ \mathrm{atm}

Nótese que la presión ha bajado respecto de la inicial (3,00 mol12,30 atm3{,}00\ \mathrm{mol} \to 12{,}30\ \mathrm{atm}), como corresponde a una reacción que consume 4 mol de gas y produce solo 2.

b) Constantes de equilibrio

Las concentraciones en el equilibrio son [A]=0,180[\mathrm{A}] = 0{,}180, [B]=[C]=0,0400 molL1[\mathrm{B}] = [\mathrm{C}] = 0{,}0400\ \mathrm{mol\,L^{-1}}:

Kc=[C]2[A][B]3=(0,0400)20,180(0,0400)3=1,601031,152105=1,39102 L2mol2K_c = \frac{[\mathrm{C}]^2}{[\mathrm{A}][\mathrm{B}]^3} = \frac{(0{,}0400)^2}{0{,}180\cdot (0{,}0400)^3} = \frac{1{,}60\cdot 10^{-3}}{1{,}152\cdot 10^{-5}} = 1{,}39\cdot 10^{2}\ \mathrm{L^2mol^{-2}}

Como Δn=24=2\Delta n = 2 - 4 = -2:

Kp=Kc(RT)Δn=138,9(0,082500)2=138,91681=8,26102 atm2K_p = K_c\,(RT)^{\Delta n} = \frac{138{,}9}{(0{,}082\cdot 500)^2} = \frac{138{,}9}{1681} = 8{,}26\cdot 10^{-2}\ \mathrm{atm^{-2}}

c) Fórmula empírica y molecular de C

Con 100 g de compuesto, 82,5 g son de N y 17,5 g de H:

nN=82,514,01=5,89 mol,nH=17,51,01=17,33 mol,nHnN=2,943n_\mathrm{N} = \frac{82{,}5}{14{,}01} = 5{,}89\ \mathrm{mol}, \qquad n_\mathrm{H} = \frac{17{,}5}{1{,}01} = 17{,}33\ \mathrm{mol}, \qquad \frac{n_\mathrm{H}}{n_\mathrm{N}} = 2{,}94 \approx 3

La fórmula empírica es \ceNH3\ce{NH3} (M=17,04 gmol1M = 17{,}04\ \mathrm{g\,mol^{-1}}). Para la molecular necesitamos la masa molar real. La muestra contiene

n=1,3510246,0221023=2,24 moln = \frac{1{,}35\cdot 10^{24}}{6{,}022\cdot 10^{23}} = 2{,}24\ \mathrm{mol}

y ocupa 5,24102 dm3=5,24102 L5{,}24\cdot 10^{-2}\ \mathrm{dm^3} = 5{,}24\cdot 10^{-2}\ \mathrm{L}, de modo que

M=dVn=0,73 gcm352,4 cm32,24 mol=38,3 g2,24 mol=17,1 gmol1M = \frac{d\,V}{n} = \frac{0{,}73\ \mathrm{g\,cm^{-3}}\cdot 52{,}4\ \mathrm{cm^3}}{2{,}24\ \mathrm{mol}} = \frac{38{,}3\ \mathrm{g}}{2{,}24\ \mathrm{mol}} = 17{,}1\ \mathrm{g\,mol^{-1}}

Como M/Mempıˊrica=1M / M_\text{empírica} = 1, fórmula molecular = fórmula empírica = \ceNH3\ce{NH3}, amoniaco (nomenclatura sistemática: trihidruro de nitrógeno). El equilibrio del apartado a) es, por tanto, la síntesis de Haber-Bosch: \ceN2(g)+3H2(g)<=>2NH3(g)\ce{N2 (g) + 3 H2 (g) <=> 2 NH3 (g)}, con A =\ceN2=\ce{N2} y B =\ceH2=\ce{H2}.

Nota sobre los datos. El enunciado da la densidad como 0,73 kg/m30{,}73\ \mathrm{kg/m^3}. Ese valor es incompatible con el resto de datos: con él, la masa de la muestra sería de 0,038 g0{,}038\ \mathrm{g} y resultaría M=0,017 gmol1M = 0{,}017\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, imposible. La combinación de datos solo es coherente si se lee 0,73 kg/dm3=0,73 gcm30{,}73\ \mathrm{kg/dm^3} = 0{,}73\ \mathrm{g\,cm^{-3}}, la densidad del amoniaco líquido, que es la usada arriba. Conviene detectar y hacer constar la incoherencia en el propio examen: el tribunal valora que se justifique la hipótesis de trabajo.

d) Reacción con HCl y pH resultante

d.1) La neutralización es \ceNH3+HCl>NH4Cl\ce{NH3 + HCl -> NH4Cl}, de estequiometría 1:1. Los 0,40 mol de amoniaco del equilibrio consumen 0,40 mol de HCl:

c(HCl)=0,40 mol0,320 L=1,25 molL1c(\mathrm{HCl}) = \frac{0{,}40\ \mathrm{mol}}{0{,}320\ \mathrm{L}} = 1{,}25\ \mathrm{mol\,L^{-1}}

d.2) Al reaccionar en cantidades exactamente estequiométricas, la disolución final contiene solo cloruro de amonio, 1,25 M1{,}25\ \mathrm{M}. El ion \ceNH4+\ce{NH4+} es el ácido conjugado de una base débil y se hidroliza:

\ceNH4++H2O<=>NH3+H3O+,Ka=KwKb=1,010141,78105=5,621010\ce{NH4+ + H2O <=> NH3 + H3O+}, \qquad K_a = \frac{K_w}{K_b} = \frac{1{,}0\cdot 10^{-14}}{1{,}78\cdot 10^{-5}} = 5{,}62\cdot 10^{-10}

(donde Kb=104,75=1,78105K_b = 10^{-4{,}75} = 1{,}78\cdot 10^{-5}). Como KaK_a es muy pequeña frente a la concentración, [\ceH3O+]=Kac[\ce{H3O+}] = \sqrt{K_a\,c}:

[\ceH3O+]=5,6210101,25=2,65105 molL1    pH=4,58[\ce{H3O+}] = \sqrt{5{,}62\cdot 10^{-10}\cdot 1{,}25} = 2{,}65\cdot 10^{-5}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \;\Longrightarrow\; \mathrm{pH} = 4{,}58

Disolución ácida, como cabe esperar de la sal de un ácido fuerte y una base débil.

e) Perturbación del equilibrio

Añadir 0,10 mol de C aumenta [C][\mathrm{C}] y hace que el cociente de reacción supere a la constante, Q>KcQ > K_c. El sistema responde desplazándose hacia la izquierda (formación de reactivos) hasta recuperar Q=KcQ = K_c, de acuerdo con el principio de Le Châtelier. En consecuencia, la concentración de A aumenta.

f) Solubilidad del amoniaco en agua

El amoniaco es muy soluble en agua. La justificación encadena los cuatro aspectos que pide el enunciado:

La suma de polaridad, enlace de hidrógeno bidireccional y reacción ácido-base explica una solubilidad extraordinariamente alta (del orden de 500 g por litro de agua a 20 ºC).

Problema 2 — Ciclo termodinámico de un gas ideal

Enunciado

Tenemos 4 moles de un gas ideal (Cv=3 calmol1K1C_v = 3\ \mathrm{cal\,mol^{-1}K^{-1}}) que realiza el ciclo de la figura, donde el proceso BC es una compresión isoterma. Calcular para cada etapa del ciclo, el trabajo, el calor y la variación de energía interna.

Datos: 1 atm=101325 Pa1\ \mathrm{atm} = 101325\ \mathrm{Pa}; R=8,314 Jmol1K1=1,987 calmol1K1R = 8{,}314\ \mathrm{J\,mol^{-1}K^{-1}} = 1{,}987\ \mathrm{cal\,mol^{-1}K^{-1}}; 1 cal=4,18 J1\ \mathrm{cal} = 4{,}18\ \mathrm{J}.

Problema 2

Ciclo A → B → C → A en el diagrama p–V

Diagrama presión-volumen del ciclo

Estado A en 8,2 litros y 4 atmósferas; estado B en 16,4 litros y 4 atmósferas; estado C en 8,2 litros y 8 atmósferas. De A a B, recta horizontal hacia la derecha. De B a C, curva isoterma decreciente hacia la izquierda. De C a A, recta vertical descendente.

A

B

C

1

2

3

8

4

8,2

16,4

p (atm)

V (L)

Etapa 1: expansión isóbara A→B. Etapa 2: compresión isoterma B→C. Etapa 3: enfriamiento isócoro C→A. Redibujado a partir de la figura del enunciado oficial (Madrid, 2025).

Solución

Identificación de los tres estados

Del diagrama se leen los estados: A (8,2 L; 4 atm)(8{,}2\ \mathrm{L};\ 4\ \mathrm{atm}), B (16,4 L; 4 atm)(16{,}4\ \mathrm{L};\ 4\ \mathrm{atm}) y C (8,2 L; 8 atm)(8{,}2\ \mathrm{L};\ 8\ \mathrm{atm}). Con n=4 moln = 4\ \mathrm{mol} y T=pV/nRT = pV/nR:

TA=41013258,210348,314=100 K,TB=TC=200 KT_\mathrm{A} = \frac{4\cdot 101325\cdot 8{,}2\cdot 10^{-3}}{4\cdot 8{,}314} = 100\ \mathrm{K}, \qquad T_\mathrm{B} = T_\mathrm{C} = 200\ \mathrm{K}

lo que confirma que BC es efectivamente una isoterma (pBVB=pCVC=65,6 atmLp_\mathrm{B}V_\mathrm{B} = p_\mathrm{C}V_\mathrm{C} = 65{,}6\ \mathrm{atm\,L}). Adoptamos el criterio ΔU=QW\Delta U = Q - W, con WW el trabajo realizado por el gas. Como Cv=3 calmol1K1C_v = 3\ \mathrm{cal\,mol^{-1}K^{-1}}, se tiene nCv=12 calK1nC_v = 12\ \mathrm{cal\,K^{-1}} y Cp=Cv+R=4,987 calmol1K1C_p = C_v + R = 4{,}987\ \mathrm{cal\,mol^{-1}K^{-1}}.

Etapa 1: A → B (expansión isóbara, 100 K → 200 K)

W1=pΔV=4101325(16,48,2)103=3324 J=795 calW_1 = p\,\Delta V = 4\cdot 101325\cdot (16{,}4-8{,}2)\cdot 10^{-3} = 3324\ \mathrm{J} = 795\ \mathrm{cal} ΔU1=nCvΔT=12100=1200 cal=5016 J\Delta U_1 = nC_v\Delta T = 12\cdot 100 = 1200\ \mathrm{cal} = 5016\ \mathrm{J} Q1=ΔU1+W1=1200+795=1995 cal=8339 JQ_1 = \Delta U_1 + W_1 = 1200 + 795 = 1995\ \mathrm{cal} = 8339\ \mathrm{J}

Comprobación: Q1=nCpΔT=44,987100=1995 calQ_1 = nC_p\Delta T = 4\cdot 4{,}987\cdot 100 = 1995\ \mathrm{cal}. El gas se expande, absorbe calor y se calienta.

Etapa 2: B → C (compresión isoterma a 200 K)

Al no variar la temperatura de un gas ideal, ΔU2=0\Delta U_2 = 0 y todo el trabajo se intercambia como calor:

W2=nRTlnVCVB=41,987200ln8,216,4=1589,6(0,693)=1102 cal=4605 JW_2 = nRT\ln\frac{V_\mathrm{C}}{V_\mathrm{B}} = 4\cdot 1{,}987\cdot 200\cdot \ln\frac{8{,}2}{16{,}4} = 1589{,}6\cdot(-0{,}693) = -1102\ \mathrm{cal} = -4605\ \mathrm{J} ΔU2=0,Q2=W2=1102 cal=4605 J\Delta U_2 = 0, \qquad Q_2 = W_2 = -1102\ \mathrm{cal} = -4605\ \mathrm{J}

El signo negativo indica que se realiza trabajo sobre el gas y que este cede esa misma energía al entorno en forma de calor.

Etapa 3: C → A (enfriamiento isócoro, 200 K → 100 K)

W3=0(ΔV=0),ΔU3=Q3=nCvΔT=12(100)=1200 cal=5016 JW_3 = 0 \quad (\Delta V = 0), \qquad \Delta U_3 = Q_3 = nC_v\Delta T = 12\cdot(-100) = -1200\ \mathrm{cal} = -5016\ \mathrm{J}

Balance del ciclo

EtapaWW (cal)QQ (cal)ΔU\Delta U (cal)
1. A→B isóbara+795+795+1995+1995+1200+1200
2. B→C isoterma1102-11021102-110200
3. C→A isócora001200-12001200-1200
Ciclo307\mathbf{-307}307\mathbf{-307}0\mathbf{0}

La energía interna es función de estado, luego ΔUciclo=0\Delta U_\text{ciclo} = 0 y necesariamente Qciclo=WcicloQ_\text{ciclo} = W_\text{ciclo}: la coincidencia de ambos totales valida los cálculos. El trabajo neto es negativo (307 cal=1283 J-307\ \mathrm{cal} = -1283\ \mathrm{J}) porque el ciclo se recorre en sentido antihorario en el diagrama ppVV: no es una máquina térmica, sino un ciclo consumidor de trabajo del tipo frigorífico.

Problema 3 — Solubilidad del \ceAgCl\ce{AgCl} y redisolución con amoniaco

Enunciado

Se añaden 0,717 g de \ceAgCl\ce{AgCl} a 100 mL de agua.

Datos: Kps(\ceAgCl)=1,721010K_{ps}(\ce{AgCl}) = 1{,}72\cdot 10^{-10}; constante de disociación de \ceAg(NH3)2+=6,8108\ce{Ag(NH3)2+} = 6{,}8\cdot 10^{-8}; masas atómicas: Cl=35,5\mathrm{Cl} = 35{,}5, Ag=107,9 u\mathrm{Ag} = 107{,}9\ \mathrm{u}.

Solución

a) Cloruro de plata disuelto en agua pura

Cantidad total añadida (M=143,4 gmol1M = 143{,}4\ \mathrm{g\,mol^{-1}}):

ntotal=0,717143,4=5,00103 moln_\text{total} = \frac{0{,}717}{143{,}4} = 5{,}00\cdot 10^{-3}\ \mathrm{mol}

que en 0,100 L equivaldría a una concentración nominal de 0,0500 M0{,}0500\ \mathrm{M} si todo se disolviera. El equilibrio real es \ceAgCl(s)<=>Ag++Cl\ce{AgCl (s) <=> Ag+ + Cl-}, con Kps=[\ceAg+][\ceCl]=s2K_{ps} = [\ce{Ag+}][\ce{Cl-}] = s^2:

s=Kps=1,721010=1,31105 molL1s = \sqrt{K_{ps}} = \sqrt{1{,}72\cdot 10^{-10}} = 1{,}31\cdot 10^{-5}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} ndisuelto=sV=1,31106 mol    m=1,31106143,4=1,88104 g=0,19 mgn_\text{disuelto} = s\,V = 1{,}31\cdot 10^{-6}\ \mathrm{mol} \;\Longrightarrow\; m = 1{,}31\cdot 10^{-6}\cdot 143{,}4 = 1{,}88\cdot 10^{-4}\ \mathrm{g} = 0{,}19\ \mathrm{mg}

Se disuelven apenas 0,19 mg: prácticamente todo el sólido (0,7168 g) permanece sin disolver. La disolución está saturada y en equilibrio con el precipitado.

b) Efecto del amoniaco: equilibrio de formación del complejo

El amoniaco forma el complejo diamminplata(I). El dato es la constante de disociación, así que la de formación es su inversa:

\ceAg(NH3)2+<=>Ag++2NH3,Kd=6,8108    Kf=1Kd=1,47107\ce{Ag(NH3)2+ <=> Ag+ + 2 NH3}, \quad K_d = 6{,}8\cdot 10^{-8} \;\Longrightarrow\; K_f = \frac{1}{K_d} = 1{,}47\cdot 10^{7}

Sumando el equilibrio de solubilidad y el de formación se obtiene la reacción global de redisolución:

\ceAgCl(s)+2NH3<=>Ag(NH3)2++Cl,K=KpsKd=1,7210106,8108=2,53103\ce{AgCl (s) + 2 NH3 <=> Ag(NH3)2+ + Cl-}, \qquad K = \frac{K_{ps}}{K_d} = \frac{1{,}72\cdot 10^{-10}}{6{,}8\cdot 10^{-8}} = 2{,}53\cdot 10^{-3}

Vía 1 — solubilidad máxima en amoniaco 2 M. Si se disuelven ss mol/L, se consumen 2s2s mol/L de amoniaco y se producen ss de complejo y ss de cloruro:

K=s2(22s)2    s22s=K=5,03102    s=9,14102 molL1K = \frac{s^2}{(2-2s)^2} \;\Longrightarrow\; \frac{s}{2-2s} = \sqrt{K} = 5{,}03\cdot 10^{-2} \;\Longrightarrow\; s = 9{,}14\cdot 10^{-2}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}

La disolución 2 M en amoniaco puede disolver hasta 0,0914 M0{,}0914\ \mathrm{M} de \ceAgCl\ce{AgCl}, muy por encima de los 0,0500 M0{,}0500\ \mathrm{M} presentes: sí se redisuelve todo el cloruro de plata.

Vía 2 — comprobación con el cociente de reacción. Suponiendo la disolución completa, [\ceAg(NH3)2+]=[\ceCl]=0,0500 M[\ce{Ag(NH3)2+}] = [\ce{Cl-}] = 0{,}0500\ \mathrm{M} y el amoniaco sobrante es 22(0,0500)=1,90 M2 - 2(0{,}0500) = 1{,}90\ \mathrm{M}:

Q=0,05000,05001,902=6,93104<K=2,53103Q = \frac{0{,}0500\cdot 0{,}0500}{1{,}90^2} = 6{,}93\cdot 10^{-4} < K = 2{,}53\cdot 10^{-3}

Como Q<KQ < K, la reacción de disolución aún tiene tendencia a avanzar: la hipótesis es consistente y no queda sólido. Puede confirmarse comprobando que no se rebasa el producto de solubilidad, ya que la plata libre residual vale

[\ceAg+]=Kps[\ceCl]=1,7210100,0500=3,4109 M[\ce{Ag+}] = \frac{K_{ps}}{[\ce{Cl-}]} = \frac{1{,}72\cdot 10^{-10}}{0{,}0500} = 3{,}4\cdot 10^{-9}\ \mathrm{M}

es decir, cuatro órdenes de magnitud menor que en agua pura: el complejo ha secuestrado la plata, que es exactamente el mecanismo por el que un ligando aumenta la solubilidad de una sal poco soluble.

Problema 4 — Bloque y cilindro sobre dos planos inclinados

Enunciado

Un bloque de 2 kg y un cilindro de 8 kg están unidos por un hilo inextensible y sin masa, que descansa sobre una polea situada en la unión de dos planos inclinados de 30º y 60º respectivamente. Considere la polea sin masa. El coeficiente de rozamiento entre el bloque y el plano es μ=2/3\mu = 2/\sqrt{3}. El cilindro parte del reposo y rueda sin deslizar con rozamiento despreciable recorriendo 1 m desde el inicio.

Dato: aceleración de la gravedad 9,8 ms29{,}8\ \mathrm{m\,s^{-2}}.

Problema 4

Montaje: bloque en el plano de 30º y cilindro en el de 60º

Dos planos inclinados unidos por una polea

Cuña con vértice superior. El plano izquierdo, de 30 grados, sostiene un bloque de 2 kg. El plano derecho, de 60 grados, sostiene un cilindro de 8 kg. Un hilo pasa por una polea situada en el vértice. Al pie del plano derecho hay una zona embarrada.

2 kg

8 kg

30º

60º

plano rugoso (μ)

zona embarrada

polea sin masa

El cilindro, más pesado y sobre el plano más inclinado, arrastra al bloque hacia arriba. Al final de su recorrido de 1 m encuentra la zona embarrada. Esquema propio a partir de la figura del enunciado oficial (Madrid, 2025).

Solución

a) Momento de inercia del cilindro

Para un cilindro macizo y homogéneo de masa MM, radio RR y longitud LL, la densidad es ρ=M/(πR2L)\rho = M/(\pi R^2 L). Descomponemos el sólido en capas cilíndricas de radio rr, espesor dr\mathrm{d}r y volumen dV=2πrLdr\mathrm{d}V = 2\pi r L\,\mathrm{d}r:

I=r2dm=0Rr2ρ2πrLdr=2πρL0Rr3dr=2πρLR44=πρLR42I = \int r^2\,\mathrm{d}m = \int_0^R r^2\,\rho\,2\pi r L\,\mathrm{d}r = 2\pi\rho L\int_0^R r^3\,\mathrm{d}r = 2\pi\rho L\frac{R^4}{4} = \frac{\pi\rho L R^4}{2}

y sustituyendo ρ\rho:

I=12MR2=128R2=4R2 kgm2\boxed{\,I = \tfrac{1}{2}MR^2\,} = \tfrac{1}{2}\cdot 8\cdot R^2 = 4R^2\ \mathrm{kg\,m^2}

El resultado no depende de la longitud LL: al girar en torno a su eje, cada elemento de masa contribuye solo por su distancia al eje, independientemente de su posición longitudinal.

b) Velocidad tras recorrer 1 m

Conviene resolverlo por conservación de la energía, porque el hilo obliga a que bloque y cilindro compartan el módulo de la velocidad vv, y la condición de rodadura sin deslizamiento liga la rotación con la traslación, ω=v/R\omega = v/R. La energía cinética del cilindro es entonces

Ec=12m2v2+12Iω2=12m2v2+12(12m2R2)v2R2=34m2v2E_c = \tfrac{1}{2}m_2v^2 + \tfrac{1}{2}I\omega^2 = \tfrac{1}{2}m_2v^2 + \tfrac{1}{2}\left(\tfrac{1}{2}m_2R^2\right)\frac{v^2}{R^2} = \tfrac{3}{4}m_2v^2

El cilindro (8 kg) desciende 1 m a lo largo del plano de 60º mientras el bloque (2 kg) asciende 1 m por el de 30º venciendo el rozamiento. El rozamiento del rodamiento es despreciable, y sobre el bloque actúa Fr=μm1gcos30F_r = \mu m_1 g\cos 30^\circ. Nótese que el dato está elegido para simplificar:

μcos30=2332=1    Fr=m1g=19,6 N\mu\cos 30^\circ = \frac{2}{\sqrt{3}}\cdot\frac{\sqrt{3}}{2} = 1 \;\Longrightarrow\; F_r = m_1 g = 19{,}6\ \mathrm{N}

Balance energético para d=1 md = 1\ \mathrm{m}:

m2gdsen60m1gdsen30μm1gdcos30=12m1v2+34m2v2m_2 g\,d\,\mathrm{sen}\,60^\circ - m_1 g\,d\,\mathrm{sen}\,30^\circ - \mu m_1 g\,d\cos 30^\circ = \tfrac{1}{2}m_1v^2 + \tfrac{3}{4}m_2v^2 9,8(80,86620,52)1=9,83,93=38,5 J9{,}8\left(8\cdot 0{,}866 - 2\cdot 0{,}5 - 2\right)\cdot 1 = 9{,}8\cdot 3{,}93 = 38{,}5\ \mathrm{J} 38,5=(122+348)v2=7v2    v=5,50=2,35 ms138{,}5 = \left(\tfrac{1}{2}\cdot 2 + \tfrac{3}{4}\cdot 8\right)v^2 = 7\,v^2 \;\Longrightarrow\; v = \sqrt{5{,}50} = 2{,}35\ \mathrm{m\,s^{-1}}

Equivalentemente, la aceleración constante del sistema es a=v2/(2d)=2,75 ms2a = v^2/(2d) = 2{,}75\ \mathrm{m\,s^{-2}}, que se obtiene también dividiendo la fuerza neta (38,5 N) entre la masa efectiva m1+m2+I/R2=2+8+4=14 kgm_1 + m_2 + I/R^2 = 2 + 8 + 4 = 14\ \mathrm{kg}.

c) Distancia recorrida hasta detenerse

Hipótesis de trabajo. La redacción del apartado es ambigua («sin suponer fricción con el barro»). Lo interpretamos en el sentido de que el barro detiene al cilindro al penetrar en él, con lo que el hilo deja de tirar (queda flojo, ya que un hilo solo transmite tracción) y el bloque continúa subiendo por inercia. Es la lectura que hace el apartado no trivial y coherente con «la distancia que recorre el bloque hasta parar».

A partir de ese instante el bloque sube libre, frenado por la gravedad y por el rozamiento, ambos dirigidos ahora hacia abajo del plano:

a=g(sen30+μcos30)=9,8(0,5+1)=14,7 ms2a' = g\left(\mathrm{sen}\,30^\circ + \mu\cos 30^\circ\right) = 9{,}8\,(0{,}5 + 1) = 14{,}7\ \mathrm{m\,s^{-2}} d=v22a=5,50214,7=0,187 m19 cmd' = \frac{v^2}{2a'} = \frac{5{,}50}{2\cdot 14{,}7} = 0{,}187\ \mathrm{m} \approx 19\ \mathrm{cm}

¿Volverá a bajar? No. Para que el bloque deslizase de nuevo haría falta tg30>μ\mathrm{tg}\,30^\circ > \mu, y aquí tg30=0,577<μ=1,155\mathrm{tg}\,30^\circ = 0{,}577 < \mu = 1{,}155: la fuerza de rozamiento estático basta para mantenerlo en reposo. El bloque se detiene definitivamente 19 cm más arriba.

Problema 5 — Onda estacionaria en una cuerda

Enunciado

Una cuerda está vibrando en un modo estacionario según la siguiente expresión y=(0,2 m)sen(3πx)cos(40πt)y = (0{,}2\ \mathrm{m})\,\mathrm{sen}(3\pi x)\cos(40\pi t), con xx en metros y tt en segundos. La cuerda está localizada entre las posiciones x=0 mx = 0\ \mathrm{m} y x=1 mx = 1\ \mathrm{m}.

Solución

a) Magnitudes características

Comparando con la forma canónica y=Asen(kx)cos(ωt)y = A\,\mathrm{sen}(kx)\cos(\omega t):

MagnitudExpresiónValor
Amplitud de la estacionariaAA0,20 m0{,}20\ \mathrm{m}
Número de ondakk3π=9,42 radm13\pi = 9{,}42\ \mathrm{rad\,m^{-1}}
Frecuencia angularω\omega40π=125,7 rads140\pi = 125{,}7\ \mathrm{rad\,s^{-1}}
Longitud de ondaλ=2π/k\lambda = 2\pi/k2/3=0,667 m2/3 = 0{,}667\ \mathrm{m}
PeriodoT=2π/ωT = 2\pi/\omega0,050 s0{,}050\ \mathrm{s}
Frecuenciaf=1/Tf = 1/T20 Hz20\ \mathrm{Hz}

La velocidad de las ondas viajeras que la componen es v=ω/k=40π/3π=13,3 ms1v = \omega/k = 40\pi/3\pi = 13{,}3\ \mathrm{m\,s^{-1}}. Conviene precisar que 0,20 m0{,}20\ \mathrm{m} es la amplitud máxima (la de los vientres): la onda estacionaria resulta de superponer dos ondas progresivas de sentidos opuestos y amplitud 0,10 m0{,}10\ \mathrm{m} cada una, ya que

0,10sen(kxωt)+0,10sen(kx+ωt)=0,20sen(kx)cos(ωt)0{,}10\,\mathrm{sen}(kx-\omega t) + 0{,}10\,\mathrm{sen}(kx+\omega t) = 0{,}20\,\mathrm{sen}(kx)\cos(\omega t)

b) Condiciones de contorno

Una cuerda fija por ambos extremos exige y(0,t)=y(L,t)=0y(0,t) = y(L,t) = 0 para todo instante. Se comprueba:

y(0,t)=0,20sen(0)cos(40πt)=0ty(0,t) = 0{,}20\,\mathrm{sen}(0)\cos(40\pi t) = 0 \quad \forall t y(1,t)=0,20sen(3π)cos(40πt)=0ty(1,t) = 0{,}20\,\mathrm{sen}(3\pi)\cos(40\pi t) = 0 \quad \forall t

Ambos extremos son nodos permanentes, lo que caracteriza a una onda estacionaria: los puntos de la cuerda no se propagan, sino que oscilan en fase con amplitudes fijas 0,20sen(3πx)0{,}20\,\mathrm{sen}(3\pi x) que dependen solo de la posición. La condición general de cuantización es

L=nλ2    1=n13    n=3L = n\frac{\lambda}{2} \;\Longrightarrow\; 1 = n\cdot\frac{1}{3} \;\Longrightarrow\; n = 3

Se trata, por tanto, del tercer armónico (segundo sobretono) de la cuerda, cuya frecuencia fundamental es f1=f3/3=6,67 Hzf_1 = f_3/3 = 6{,}67\ \mathrm{Hz}.

c) Gráfica, nodos y vientres

Problema 5

Tercer armónico: y frente a x en un instante de máxima elongación

Perfil de la onda estacionaria

Curva sinusoidal con tres semiondas entre x igual a 0 y x igual a 1 metro: máximo positivo, máximo negativo y máximo positivo, con cuatro nodos y tres vientres.

N

N

N

N

V

V

V

0

1/3

2/3

1

+0,2

−0,2

x (m)

Nodos (N) en x = 0; 1/3; 2/3 y 1 m — cuatro en total. Vientres (V) en x = 1/6; 1/2 y 5/6 m — tres en total. La línea discontinua es la envolvente ±0,20 m.

Los nodos son los puntos donde sen(3πx)=0\mathrm{sen}(3\pi x) = 0, es decir 3πx=mπ3\pi x = m\pi con x=m/3x = m/3 dentro del intervalo [0,1][0,1]: x=0; 1/3; 2/3; 1 mx = 0;\ 1/3;\ 2/3;\ 1\ \mathrm{m}, cuatro nodos. Los vientres cumplen sen(3πx)=1|\mathrm{sen}(3\pi x)| = 1, esto es x=1/6; 1/2; 5/6 mx = 1/6;\ 1/2;\ 5/6\ \mathrm{m}, tres vientres. La regla general para el armónico nn es n+1n+1 nodos y nn vientres, que aquí con n=3n = 3 da los cuatro y tres obtenidos. Nótese que dos nodos consecutivos distan λ/2=1/3 m\lambda/2 = 1/3\ \mathrm{m}, y que un nodo y el vientre contiguo distan λ/4=1/6 m\lambda/4 = 1/6\ \mathrm{m}.

Problema 6 — Campo y potencial de un cable coaxial

Enunciado

Un cable coaxial (radio bb) tiene una densidad de carga (superficial, uniforme y negativa) en su superficie externa. Dicho cable lleva una densidad ρ\rho de carga (volumétrica, uniforme y positiva) en un cilindro interno (radio aa). El cable es neutro.

Solución

Simetría y superficie gaussiana

La distribución tiene simetría cilíndrica y se supone de longitud indefinida, de modo que el campo es radial y su módulo depende solo de la distancia al eje, E=E(r)u^r\vec{E} = E(r)\,\hat{u}_r. La superficie gaussiana adecuada es un cilindro coaxial de radio rr y longitud \ell; el flujo a través de sus bases es nulo (campo paralelo a ellas) y a través de la cara lateral vale E(r)2πrE(r)\cdot 2\pi r\ell.

La carga por unidad de longitud del conductor interno es λ=ρπa2\lambda = \rho\pi a^2. La condición de neutralidad fija la densidad superficial externa:

σ2πb+ρπa2=0    σ=ρa22b\sigma\,2\pi b\ell + \rho\pi a^2\ell = 0 \;\Longrightarrow\; \sigma = -\frac{\rho a^2}{2b}

negativa, como indica el enunciado.

a) Campo eléctrico por regiones

Zona interna (rar \le a). La carga encerrada es qint=ρπr2q_\text{int} = \rho\pi r^2\ell:

E(r)2πr=ρπr2ε0    E(r)=ρr2ε0E(r)\,2\pi r\ell = \frac{\rho\pi r^2\ell}{\varepsilon_0} \;\Longrightarrow\; E(r) = \frac{\rho\,r}{2\varepsilon_0}

Crece linealmente desde cero en el eje, porque al alejarse aumenta la carga encerrada más deprisa de lo que se diluye el flujo.

Zona intermedia (arba \le r \le b). Toda la carga positiva queda encerrada, qint=ρπa2q_\text{int} = \rho\pi a^2\ell:

E(r)=ρa22ε0rE(r) = \frac{\rho a^2}{2\varepsilon_0\,r}

Decae como 1/r1/r, el resultado clásico de un hilo cargado. En r=ar = a ambas expresiones coinciden, E(a)=ρa/2ε0E(a) = \rho a/2\varepsilon_0: el campo es continuo, como debe ser al no haber densidad superficial en r=ar = a.

Zona externa (rbr \ge b). La carga total encerrada es nula por ser el cable neutro:

E(r)=0E(r) = 0

Este es el apantallamiento característico del cable coaxial: fuera de él no hay campo, lo que lo hace idóneo para transportar señal sin radiar ni captar interferencias. En r=br = b hay una discontinuidad de valor σ/ε0|\sigma|/\varepsilon_0, coherente con la densidad superficial de carga.

b) Potencial eléctrico por regiones

Como E=0E = 0 para r>br > b, el potencial es constante fuera del cable; se elige el origen ahí, que es además el valor en el infinito: V(rb)=0V(r \ge b) = 0. Se integra V(r)=rrefEdrV(r) = \int_r^{\text{ref}} \vec{E}\cdot\mathrm{d}\vec{r}.

Zona intermedia (arba \le r \le b):

V(r)=rbρa22ε0rdr=ρa22ε0lnbrV(r) = \int_r^b \frac{\rho a^2}{2\varepsilon_0 r'}\,\mathrm{d}r' = \frac{\rho a^2}{2\varepsilon_0}\ln\frac{b}{r}

Zona interna (rar \le a): se acumulan las dos contribuciones,

V(r)=raρr2ε0dr+V(a)=ρ4ε0(a2r2)+ρa22ε0lnbaV(r) = \int_r^a \frac{\rho r'}{2\varepsilon_0}\,\mathrm{d}r' + V(a) = \frac{\rho}{4\varepsilon_0}\left(a^2 - r^2\right) + \frac{\rho a^2}{2\varepsilon_0}\ln\frac{b}{a}

El potencial es máximo en el eje, V(0)=ρa24ε0(1+2lnba)V(0) = \dfrac{\rho a^2}{4\varepsilon_0}\left(1 + 2\ln\dfrac{b}{a}\right), y decrece de forma monótona hasta anularse en r=br = b, como corresponde a un campo dirigido hacia fuera. Las tres expresiones empalman con continuidad en r=ar = a y r=br = b: el potencial es siempre continuo, aunque el campo no lo sea.

c) Gráfica del campo

Problema 6

Módulo del campo eléctrico frente a la distancia al eje

Gráfica del campo eléctrico contra la distancia al eje

Entre cero y a, recta creciente. Entre a y b, curva decreciente proporcional a uno partido por r. A partir de b, valor cero.

a

b

ρa/2ε₀

E(r)

r

E ∝ r

E ∝ 1/r

E = 0

Crecimiento lineal dentro del conductor interno, decaimiento 1/r en el dieléctrico y campo nulo fuera del cable. El salto en r = b se debe a la carga superficial negativa.

Comentario global del ejercicio

El examen mantiene el equilibrio 50/50 entre física y química que caracteriza a la especialidad, y apuesta por problemas largos y encadenados más que por muchos problemas cortos: el primero recorre él solo estequiometría, equilibrio químico, determinación de fórmulas, ácido-base y enlace, de modo que un error inicial en el grado de avance arrastra a cinco apartados. Merece la pena, por eso, dedicar un minuto a comprobar la coherencia de los primeros resultados antes de seguir.

Tres detalles con valor estratégico para el opositor:

  1. Los datos incoherentes existen. En el problema 1 la densidad está expresada en unidades que no cuadran con el resto del enunciado. Lo correcto es señalarlo, adoptar la interpretación coherente y resolver: el tribunal valora el criterio, no el silencio.
  2. Los enunciados ambiguos también. El apartado 4c admite más de una lectura; explicitar la hipótesis de trabajo antes de calcular protege la puntuación.
  3. Las comprobaciones cruzadas puntúan. Calcular Q1Q_1 dos veces (por ΔU+W\Delta U + W y por nCpΔTnC_p\Delta T), verificar que ΔUciclo=0\Delta U_\text{ciclo} = 0 o resolver la redisolución del \ceAgCl\ce{AgCl} por dos vías demuestra dominio del formalismo y detecta errores aritméticos sin apenas coste de tiempo.