• ESTADOS DE LA MATERIA
• PRESIÓN, VOLUMEN Y TEMPERATURA
• LEYES DE LOS GASES
• MODELO CINÉTICO-MOLECULAR DE LA MATERIA
• CAMBIOS DE ESTADO
• GRÁFICA DE CALENTAMIENTO DE UNA SUSTANCIA

ESTADOS DE LA MATERIA

Por las propiedades de las sustancias podemos determinar en que estado de agregación se presentan

SIMULACIÓN: ESTADOS DE LA MATERIA, FUNDAMENTOS, en phet.colorado.edu

Vamos a realizar unas cuantas observaciones con esta simulación de los estados de la materia. Vamos a utilizar sólo el apartado ESTADO.

1) Escoge en átomos y moléculas NEÓN. 

1.a) En estado SÓLIDO, describe como están los átomos.

1.b) En estado LÍQUIDO, describe como están los átomos.

1.c) En estado GAS, describe como están los átomos.

2) Escoge en átomos y moléculas OXÍGENO. 

2.a) En estado SÓLIDO, describe como están los átomos.

2.b) En estado LÍQUIDO, describe como están los átomos.

2.c) En estado GAS, describe como están los átomos.

3) Escoge en átomos y moléculas AGUA. 

3.a) En estado SÓLIDO, describe como están los átomos.

3.b) En estado LÍQUIDO, describe como están los átomos.

3.c) En estado GAS, describe como están los átomos.

4) Con cualquiera de las sustancias, prueba partiendo del sólido a dar calor, verás que aumenta la temperatura y que el movimiento de las partículas cambia. ¿Podrías deducir a qué temperatura se produce un cambio de estado?

EJERCICIOS PARA PRACTICAR

PRESIÓN, VOLUMEN Y TEMPERATURA

Supón que hinchas un globo. ¿Qué ocurre si introduces más aire en el globo? Su volumen aumenta. Cuanto más aire tiene el globo más volumen tiene. 

También podemos observar algo más. Si hinchas el globo aplica un dedo para que se hunda en él. Notas una resistencia a ser penetrado. Hínchalo más. Ahora la resistencia cuando le hundes el dedo en la superficie es mayor. ¿Por qué? El aire que tiene dentro hace que la superficie del globo esté más tensa cuanto más aire tenga. Si lo hinchamos demasiado sabemos que explota. Decimos que el aire ejerce presión hacia el exterior. Esto lo experimentamos cuando hinchamos globos, balones o ruedas de bicicletas. 

El volumen mide el espacio que ocupa un cuerpo, las unidades pueden ser m³, o unidades de capacidad como el litro, l.

Pero ¿de que depende esta presión? Si aplicamos el dedo para hundirlo en el globo deformamos su superficie. Si hacemos más fuerza la deformación es mayor. Y si aplicamos mucha fuerza podemos romper el globo. La presión debe depender de la fuerza que hacemos. ¿Pero sólo de la fuerza? Si en vez del dedo aplicamos un alfiler casi no hay que hacer fuerza para que explote. ¿Por qué? La presión no depende sólo de la fuerza, depende también de la superficie sobre la que hacemos fuerza. El alfiler tiene una punta muy pequeña, pero el dedo tiene mucha más superficie de contacto con el globo. Por tanto la presión depende tanto de la fuerza que hacemos como de la superficie sobre la que hacemos fuerza. En realidad depende del cociente entre la fuerza y la superficie.

La presión es el cociente entre la fuerza que aplicamos y la superficie sobre la que la aplicamos.

Donde P es la presión, F la fuerza y S la superficie. En unidades del SI la fuerza se da en N, y la superficie en m², por tanto la unidad de presión es el N/m², que recibe el nombre de Pascal

y se representa por Pa. 

La presión también se puede expresar en otras unidades, las siguientes equivalencias las debes conocer:

Para medir la presión usamos unos aparatos llamados manómetros. Puede que tengas uno de pedal en casa, de los que se usan para hinchar las ruedas de la bici o los balones.

También los encontramos en las gasolineras para hinchar los neumáticos del coche. Recuerda que llevar las ruedas con una presión inadecuada puede ser peligroso para la conducción.

Estos manómetros están graduados en bar, que equivale a 10⁵N/m² o a 10⁵Pa. 1atm equivale a 1,013bar.  La otra unidad es psi (del inglés pounds-force per square inch, o libras-peso por pulgada al cuadrado). 1atm equivale a 14,7psi. 

Las presiones que debemos poner en las ruedas depende de muchos factores, es bueno hacer caso a las recomendaciones del fabricante. Por ejemplo una rueda de bici de montaña, para un ciclista de 60kg, debe llevar 1,8bar, pero si es una bici de carretera debe llevar 6,7bar, aproximadamente. Un coche puede necesitar entre 2,5 y 3bar.

Y la temperatura, ¿qué es? 

¿Tienes un colchón hinchable, o jugaste en la playa alguna vez con uno? Seguramente tienes esta experiencia. En la arena hinchamos el colchón con un bombín o a pulmón, si somos valientes. Cuando está bien hinchado lo llevamos al agua y ¡a jugar! Pero, ¿qué notamos? que al meterlo en el agua fría el colchón parece que se deshincha. Comprobamos que no está pinchado. ¿Qué pasó? el aire lo mantiene hinchado, ese aire que ejerce presión desde dentro. Pero cuando ese aire se enfría la presión es menor, ya no hace tanta fuerza sobre la superficie del colchón. El aire son moléculas de gas, cuando la temperatura baja esas moléculas ya no impactan con tanta fuerza sobre la superficie del colchón. Por tanto, la temperatura tiene que ver con el movimiento de las partículas de gas. Más temperatura más movimiento, menos temperatura menos movimiento. 

¿Cómo podemos hacer que el colchón recupere su rigidez en el agua? Pues tenemos que hincharlo más, hasta que lo tengamos como al principio. Pero ojo, esto tiene un peligro. Cuando lo llevamos otra vez a la arena ésta está muy caliente, calienta el aire del colchón, y este gas ejerce mucha fuerza dentro del colchón, incluso puede hacer explotar el colchón. 

Recuerda la simulación de los estados de la materia. Si se disminuye la temperatura de un cuerpo sus partículas se mueven menos. Cuando el estado es sólido, las partículas vibran, si es líquido o gas las partículas se desplazan a distinta velocidad.

La temperatura mide el movimiento medio de las partículas de un gas.

La unidad de temperatura son los grados centígrados y la medimos con los termómetros.

EJERCICIOS PARA PRACTICAR

LEYES DE LOS GASES

Vamos a estudiar el comportamiento de las sustancias más sencillas que podemos encontrar los gases. Podemos pensar a veces que los gases no existen, pues no los vemos. Pero sabemos que los necesitamos para respirar, nos refresca su contacto en el viento, pero casi no los percibimos al movernos a poca velocidad entre ellos. La cosa cambia cuando sacamos el brazo por la ventanilla cuando vamos a mucha velocidad en el coche. Entendemos entonces la importancia de la aerodinámica, en la Fórmula 1, por ejemplo.

¿Te paraste a pensar alguna vez cuánto aire hay, por ejemplo, en tu clase? Supón que lo licúas ¿Cuánto pesaría el contenido de la bombona que lo contuviera? Supongamos que tu clase mide: 7m de ancho por 8m de largo y por 3m de alto. El volumen sería, V = 7·8·3 = 168m³  La densidad del aire a 20ºC es d = 1,20kg/m³    Por tanto la masa del aire debe ser  m = d·V = 1,20kg/m³·168m³ = 201,6kg    ¡Más de 200kg!, no está mal para ser algo que no vemos, ¿no te parece? Esto quiere decir que los gases tienen masa, puede que más de la que pensamos aunque sean menos densos que los líquidos y sólidos.

Para estudiar un gas debemos conocer algunas magnitudes como: V volumen, P presión, T temperatura y m masa.

Robert Boyle (1627-1691)	Edme Mariotte (1620-1684)

Ley de Boyle y Mariotte: nos dice como varían la presión y el volumen de un gas cuando tenemos una cantidad fija de gas a temperatura constante.

A T=cte y m=cte ¿Cómo varían el volumen y la presión?

Experiencia: Introducimos una cantidad de gas en una jeringuilla a temperatura constante.

¿Qué ocurre con el volumen cuando aumentamos la presión apretando el émbolo?

¿Qué ocurre con el volumen cuando dejamos de hacer presión sobre el émbolo?

¿Cómo podemos expresar matemáticamente que cuando aumenta el volumen disminuye la presión y viceversa?

Ley de Boyle y Mariotte: Para una cantidad de gas a temperatura constante el volumen de gas es inversamente proporcional a la presión sobre el mismo.

Jacques Charles (1746-1823)	Joseph-Louis Gay-Lussac (1778-1850)

Ley de Charles y Gay-Lussac: nos dice como varían la temperatura y el volumen de un gas cuando tenemos una cantidad fija de gas a presión constante.

A P=cte y m=cte ¿Cómo varían el volumen y la temperatura?

Experiencia: Introducimos una cantidad de gas en un recipiente a presión constante.

¿Qué ocurre con el volumen cuando aumentamos la temperatura del gas?

¿Si disminuye la temperatura del gas, se enfría, qué ocurre con el volumen?

¿Cómo podemos expresar matemáticamente que cuando aumenta la temperatura aumenta el volumen?

Esta gráfica representa el aumento del volumen de un gas cuando aumentamos la temperatura:

Esta gráfica V-T es una recta, que confirma que el volumen y la temperatura son proporcionales. El volumen del gas se va contrayendo a medida que la temperatura disminuye. Si esta es lo suficientemente baja el gas licúa (la recta se corta). Si prolongamos la recta obtenemos por extrapolación que la temperatura a la cual el volumen de cualquier gas debería ser nulo es -273ºC. Esta temperatura se toma como cero de una nueva escala llamada absoluta o Kelvin, -273ºC=0K. Si T es la temperatura absoluta y t la centígrada, se cumple que

De estas dos leyes deducimos que el cociente del producto de la presión por el volumen entre la temperatura absoluta es constante para una cantidad fija de gas.

Si una misma cantidad de gas la tenemos en dos condiciones distintas de P, V y T, obtenemos:

MODELO CINÉTICO-MOLECULAR DE LA MATERIA

Los postulados o puntos de partida de este modelo son:

• La materia es discontinua, es decir, está formada por un gran número de pequeñas partículas materiales.
• Estas partículas se encuentran en constante movimiento, que aumenta si se eleva la temperatura.
• Entre las partículas hay fuerzas de atracción o de cohesión, cuya intensidad disminuye al aumentar la distancia entre ellas.

¿Cómo explica el modelo cinético-molecular los distintos estados de la materia?

EJERCICIOS PARA PRACTICAR

CAMBIOS DE ESTADO

Variando la presión y temperatura podemos producir los cambios de estado en la materia.

Para pasar de sólido a líquido y de líquido a gas hay que aportar calor, el aumento de temperatura favorece estos cambios.

Para pasar de gas a líquido y de líquido a sólido hay extraer calor, la disminución de temperatura favorece estos cambios.

Cuando se produce un cambio de estado la temperatura no varía, por ejemplo al pasar de sólido a líquido, el aporte de calor no aumenta la temperatura mientras quede sólido sin fundir.

EJERCICIOS PARA PRACTICAR

GRÁFICA DE CALENTAMIENTO DE UNA SUSTANCIA

Con esta simulación puedes construir la curva de calentamiento de varios líquidos. Representa el tiempo en abscisas y la temperatura en ordenadas. Observa como mientras se produce el cambio de estado no aumenta la temperatura.

EJERCICIOS PARA PRACTICAR