2. Estados da materia

ESTADOS DA MATERIA
PRESIÓN, VOLUME E TEMPERATURA
LEIS DOS GASES
MODELO CINÉTICO-MOLECULAR DA MATERIA
CAMBIOS DE ESTADO
GRÁFICA DE QUENTAMENTO DUNHA SUSTANCIA

Polas propiedades das sustancias podemos determinar en que estado de agregación se presentan

	VOLUME	FORMA	OUTRAS PROPIEDADES
SÓLIDO	Constante	Fixa	- Alta densidade
LÍQUIDO	Constante	Variable, por gravidade adáptase á parte inferior do recipiente	- Alta densidade - Pódense mesturar con outros líquidos
GAS	Variable, adáptase ao volume do recipiente que o contén	Variable, adquire a forma do recipiente que o contén	- Baixa densidade - Sempre se poden mesturar con outros líquidos

SIMULACIÓN: ESTADOS DA MATERIA, FUNDAMENTOS, en phet.colorado.edu

Imos realizar unas cantas observacións con esta simulación dos estados da materia. Imos utilizar só o apartado ESTADO.

1) Escolle en átomos e moléculas NEÓN.

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

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

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

2) Escolle en átomos e moléculas OSÍXENO.

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

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

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

3) Escolle en átomos e moléculas AUGA.

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

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

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

4) Con calquera das substancias, proba partindo do sólido para dar calor, verás que aumenta a temperatura e que o movemento das partículas cambia. Poderías deducir a que temperatura prodúcese un cambio de estado?

EXERCICIOS PARA PRACTICAR

PRESIÓN, VOLUME E TEMPERATURA

Supón que inchas un globo. Que ocorre se introduces máis aire no globo? O seu volume aumenta. Canto máis aire ten o globo máis volume ten.

Tamén podemos observar algo máis. Se inchas o globo aplica un dedo para que se afunda nel. Notas unha resistencia a ser penetrado. Ínchao máis. Agora a resistencia cando lle afundes o dedo na superficie é maior. Por que? O aire que ten dentro fai que a superficie do globo estea máis tensa canto máis aire teña. Se o inchamos demasiado sabemos que estoupa. Dicimos que o aire exerce presión cara ao exterior. Isto experimentámolo cando inchamos globos, balóns ou rodas de bicicletas.

O volume mide o espazo que ocupa un corpo, as unidades poden ser m³, ou unidades de capacidade como o litro, l.

Pero de que depende esta presión? Se aplicamos o dedo para afundilo no globo deformamos a súa superficie. Se facemos máis forza a deformación é maior. E se aplicamos moita forza podemos romper o globo. A presión debe depender da forza que facemos. Pero só da forza? Si en vez do dedo aplicamos un alfinete case non hai que facer forza para que estoupe. Por que? A presión non depende só da forza, depende tamén da superficie sobre a que facemos forza. O alfinete ten unha punta moi pequena, pero o dedo ten moita máis superficie de contacto co globo. Xa que logo a presión depende tanto da forza que facemos como da superficie sobre a que facemos forza. En realidade depende do cociente entre a forza e a superficie.

A presión é o cociente entre a forza que aplicamos e a superficie sobre a que a aplicamos.

Donde P é a presión, F a forza e S a superficie. En unidades do SI a forza se da en N, e a superficie en m², polo tanto a unidad de presión é o N/m², que recibe o nome de Pascal

Blaise Pascal (1623-1662)

e se representa por Pa.

A presión tamén se pode expresar noutras unidades, as seguintes equivalencias débelas coñecer:

Para medir a presión usamos uns aparellos chamados manómetros. Poida que teñas un de pedal en casa, dos que se usan para inchar as rodas da bici ou os balóns.

Tamén os atopamos nas gasolineras para inchar os neumáticos do coche. Lembra que levar as rodas cunha presión inadecuada pode ser perigoso para a condución.

Estes manómetros están graduados en bar, que equivale a 10⁵N/m² ou a 10⁵Pa. 1atm equivale a 1,013bar. A outra unidade é psi (do inglés pounds-force per square inch, ou libras-peso por pulgada ao cadrado). 1atm equivale a 14,7psi.

As presións que debemos poñer nas rodas depende de moitos factores, é bo facer caso ás recomendacións do fabricante. Por exemplo unha roda de bici de montaña, para un ciclista de 60kg, debe levar 1,8bar, pero si é unha bici de estrada debe levar 6,7bar, aproximadamente. Un coche pode necesitar entre 2,5 e 3bar.

E a temperatura, que é?

Tes un colchón hinchable, ou xogaches na praia algunha vez cun? Seguramente tes esta experiencia. Na area inchamos o colchón cun bombín, ou a pulmón se somos valentes. Cando está ben inchado levámolo ao auga e, a xogar! Pero, que notamos? que ao metelo no auga fría o colchón parece que se desincha. Comprobamos que non está pinchado. Que pasou? o aire manteno inchado, ese aire que exerce presión desde dentro. Pero cando ese aire arrefríase a presión é menor, xa non fai tanta forza sobre a superficie do colchón. O aire son moléculas de gas, cando a temperatura baixa esas moléculas xa non impactan con tanta forza sobre a superficie do colchón. Xa que logo, a temperatura ten que ver co movemento das partículas de gas. Máis temperatura máis movemento, menos temperatura menos movemento.

Como podemos facer que o colchón recupere a súa rixidez no auga? Pois temos que inchalo máis, ata que o teñamos como ao principio. Pero ollo, isto ten un perigo. Cando o levamos outra vez á area esta está moi quente, quenta o aire do colchón, e este gas exerce moita forza dentro do colchón, ata pode facer estoupar o colchón.

Lembra a simulación dos estados da materia. Se se diminúe a temperatura dun corpo as súas partículas móvense menos. Cando o estado é sólido, as partículas vibran, se é líquido ou gas as partículas desprázanse a distinta velocidade.

A temperatura mide o movemento medio das partículas dun gas.

A unidade de temperatura son os graos centígrados e medímola cos termómetros.

EXERCICIOS PARA PRACTICAR

LEIS DOS GASES

Imos estudar o comportamento das sustancias máis sinxelas que podemos atopar os gases. Podemos pensar ás veces que os gases non existen, pois non os vemos. Pero sabemos que os necesitamos para respirar, refréscanos o seu contacto no vento, pero case non os percibimos ao movernos a pouca velocidade entre eles. A cousa cambia cando sacamos o brazo pola fiestra cando imos a moita velocidade no coche. Entendemos entón a importancia da aerodinámica, na Fórmula 1, por exemplo.

Paráchesche a pensar algunha vez canto aire hai, por exemplo, na túa clase? Supón que o licúas Canto pesaría o contido da bombona que o contivese? Supoñamos que a túa clase mide: 7m de ancho por 8m de longo e por 3m de alto. O volume sería, V = 7·8·3 = 168m³ A densidad do aire a 20ºC é d = 1,20kg/m³ Xa que logo a masa do aire debe ser m = d·V = 1,20kg/m³·168m³ = 201,6kg Máis de 200kg!, non está mal para ser algo que non vemos, non che parece? Isto quere dicir que os gases teñen masa, poida que máis da que pensamos aínda que sexan menos densos que os líquidos e sólidos.

Para estudar un gas debemos coñecer algunhas magnitudes como: V volume, P presión, T temperatura e m masa.


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

   Lei de Boyle e Mariotte: dinos como varían a presión e o volume dun gas cando temos unha cantidade fixa de gas a temperatura constante.

   A T=cte e m=cte Como varían o volume e a presión?

   Experiencia: Introducimos unha cantidade de gas nunha xiringa a temperatura constante.

   Que ocorre co volume cando aumentamos a presión apertando o émbolo?

   Que ocorre co volume cando deixamos de facer presión sobre o émbolo?

   Como podemos expresar matemáticamente que cando aumenta o volume diminúe a presión e viceversa?

Lei de Boyle e Mariotte: Para unha cantidade de gas a temperatura constante o volume de gas é inversamente proporcional á presión sobre o mesmo.


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

Lei de Charles e Gay-Lussac: dinos como varían a temperatura e o volume dun gas cando temos unha cantidade fixa de gas a presión constante.

A P=cte e m=cte Como varían o volume e a temperatura?

Experiencia: Introducimos unha cantidade de gas nun recipiente a presión constante.

   Que ocorre co volume cando aumentamos a temperatura do gas?

   Se diminúe a temperatura do gas, arrefríase, que ocorre co volume?

   Como podemos expresar matemáticamente que cando aumenta a temperatura aumenta o volume?

Esta gráfica representa o aumento do volume dun gas cando aumentamos a temperatura:

Esta gráfica V-T é unha recta, que confirma que o volume e a temperatura son proporcionais. O volume do gas vaise contraendo a medida que a temperatura diminúe. Se esta é o suficientemente baixa o gas licúa (a recta córtase). Se prolongamos a recta obtemos por extrapolación que a temperatura á cal o volume de calquera gas debería ser nulo é -273ºC. Esta temperatura tómase como cero dunha nova escala chamada absoluta ou Kelvin, -273ºC=0K. Si T é a temperatura absoluta e t a centígrada, cúmprese que

Lei de Charles e Gay-Lussac: Se aumentamos a temperatura dunha cantidade fixa de gas, a presión constante, o volume aumenta proporcionalmente á temperatura absoluta.

Destas dúas leis deducimos que o cociente do produto da presión polo volume entre a temperatura absoluta é constante para unha cantidade fixa de gas.

Se unha mesma cantidade de gas témola en dúas condicións distintas de P, V e T, obtemos:

EXERCICIOS PARA PRACTICAR

MODELO CINÉTICO-MOLECULAR DA MATERIA

Os postulados ou puntos de partida deste modelo son:

A materia é discontinua, é dicir, está formada por un gran número de pequenas partículas materiais.
Estas partículas atópanse en constante movemento, que aumenta se se eleva a temperatura.
Entre as partículas hai forzas de atracción ou de cohesión, cuxa intensidade diminúe ao aumentar a distancia entre elas.

Como explica o modelo cinético-molecular os distintos estados da materia?

Estado sólido	Estado líquido	Estado gasoso
As forzas de atracción entre partículas son moi intensas. As partículas están moi próximas entre si e ocupan posicións fixas. As partículas só teñen movemento de vibración ao redor das súas posicións de equilibrio.	As forzas de atracción entre partículas son tamén intensas. As partículas están moi próximas entre si, pero non ocupan posicións fixas. As partículas teñen liberdade para desprazarse, sen afastarse unhas doutras.	As forzas de atracción entre partículas son despreciables. As partículas están moi afastadas unhas doutras, en total desorde. As partículas teñen total liberdade para desprazarse e chocan elásticamente entre elas e coas paredes do recipiente.

EXERCICIOS PARA PRACTICAR

CAMBIOS DE ESTADO

Variando a presión e temperatura podemos producir os cambios de estado na materia.

Para pasar de sólido a líquido e de líquido a gas hai que achegar calor, o aumento de temperatura favorece estes cambios.

Para pasar de gas a líquido e de líquido a sólido hai extraer calor, a diminución de temperatura favorece estes cambios.

Cando se produce un cambio de estado a temperatura non varía, por exemplo ao pasar de sólido a líquido, a achega de calor non aumenta a temperatura mentres quede sólido sen fundir.

EXERCICIOS PARA PRACTICAR

GRÁFICA DE QUENTAMENTO DUNHA SUSTANCIA

Simulación: Curva de quecemento - Laboratorio Virtual de Salvador Hurtado

Con esta simulación podes construír a curva de quecemento de varios líquidos. Representa o tempo en abscisas e a temperatura en ordenadas. Observa como mentres se produce o cambio de estado non aumenta a temperatura.

EXERCICIOS PARA PRACTICAR