Segundo Grado

La estructura de la materia a partir del modelo cinético de partículas


La materia es todo lo que podemos imaginar, las cosas que vemos, el aire que respiramos, el agua que bebemos. Los planetas del universo, los seres vivos terrestres y marítimos y los objetos inanimados como las rocas, minerales y petróleo: todo está hecho de materia. El modelo cinético de partículas se elaboró basado en la existencia de las porción mínima de la materia que conserva las características y propiedades de dicha materia. Esta porción mínima es una partícula. Toda la materia está formada por partículas, las partículas siempre están en movimiento, interaccionan entre sí con fuerzas de mayor o menor intensidad, la distancia entre partículas es muy grande en comparación a su tamaño, hay choques entre partículas y entre la partícula y la pared del recipiente en donde se encuentra ocurren sin pérdida de energía, la energía cinética promedio de las partículas es proporcional a su temperatura.

La estructura de la materia a partir del modelo cinético de partículas

Nuestro planeta está conformado por seres vivos como plantas y animales, la mayor parte de la estructura del planeta lo conforma la materia inanimada y esta no crece ni se reproduce ni se mueve por sí misma. Tanto los seres vivos como la materia inerte están compuestas de átomos combinados de diferente maneras.

Propiedades de la materia

Son las características específicas por las cuales una sustancia determinada puede distinguirse de otra. Estas propiedades se clasifican en dos grupos

  • Propiedades físicas: dependen de las sustancias mismas por ejemplo el color, el olor, la textura, el sabor.
  • Propiedades químicas: dependen del comportamiento de la materia frente a otras sustancias. Por ejemplo la oxidación de un clavo.

Masa

Es la cantidad de materia de un cuerpo y ocupa un lugar en el espacio, es cuantificable es decir que se puede medir (normalmente se mide en kilogramos). La masa representa una medida de la resistencia que opone un cuerpo a acelerarse cuando se haya sometido a una fuerza. Esta fuerza puede derivarse del campo gravitatorio terrestre y en este caso se denomina PESO. Peso y masa no son sinónimos aunque se confunden con frecuencia.

Volumen

Es el lugar o espacio que ocupa un cuerpo en base a su tamaño. Existen cuerpos de muy diversos tamaños, para expresar el volumen de un cuerpo se utiliza el metro cúbico y demás múltiplos y sub múltiplos.

Composición de la materia

La materia está formada por átomos, son partículas diminutas que se agrupan para constituir los diferentes objetos.

Moléculas

Una molécula puede estar formado por un átomo (monoatómica), por dos átomos (diatómica), por tres átomos (triatómica) o más átomos (poliátomos).

Las moléculas de los cuerpos simples están formados por uno o más átomos idénticos (es decir de la misma clase). Las molèculas de los compuestos quìmicos estàn formadas al menos por dos átomos de distinta clase (o sea de distintos elementos).

Continuidad de la materia

Si se tiene una cantidad de una sustancia cualquiera, como el agua, y se desea dividirla llegaríamos a la cantidad más pequeña que es una molécula (H20). Esta mínima cantidad de agua se puede dividir, pero ya no sería agua sino dos moléculas de hidrógeno y una de oxígeno pues estos dos elementos son constituyentes de la molécula de agua.

Elementos, compuestos y mezclas

Las sustancias que conforman la materia se pueden clasificar en elementos, compuestos y mezclas.
* Los elementos son sustancias que están constituidas por átomos iguales. Por ejemplo el oro, la plata, calcio, el hierro.
* Los compuestos están constituidos por átomos diferentes. Por ejemplo el agua.
* Las mezclas están formadas por varias sustancias que no mantienen interacciones químicas a un todo. Por ejemplo una ensalada de verduras está formada por diferentes sustancias que se pueden separar fácilmente y no alteran la química de los otros ingredientes. Los desodorantes en aerosol son la mezcla homogénea de fragancia, alcohol, y gas isobutano, que se encuentran en estado líquido y se atomizan.

Estados físicos de la materia


En condiciones normales de temperatura, la materia puede presentar tres estados diferentes:

Sólido

Los sólidos son rígidos por lo tanto es difícil que se deformen, la rigidez se debe a que los átomos, iones y moléculas no pueden moverse libremente como las moléculas de los gases o, en menor grado, de los líquidos. Su densidad es un poco superior a la de los líquidos. Ocupan un volumen determinado y se dilatan al aumentar la temperatura.

Líquido

Los líquidos se caracterizan por tener un volumen propio, se adaptan a la forma del recipiente que los contiene, pueden fluir, son muy poco comprimibles bajo presión debido a que la distancia media entre las moléculas es muy pequeña y si se comprimen se reduce aún más y se originan fuerzas repulsivas intensas entre las moléculas del líquido; y pueden pasar al estado de vapor.

Adquieren la forma del recipiente que los contiene. La fuerza de cohesión entre sus moléculas son elevadas y hay líquidos que poseen mayor energía cinética y pueden vencer las fuerzas de cohesión y escapar de la superficie del líquido a través de la evaporación.

Gases

Son fácilmente comprimibles y fáciles de expandirse indefinidamente. Se caracterizan por llenar el espacio en que están encerrados. Si el recipiente aumenta de tamaño el gas ocupa de inmediato el nuevo, esto se debe a que existe una fuerza dirigida desde el centro del gas hacia las paredes del recipiente que los contiene. Esa fuerza por unidad de superficie es la presión.

La materia puede cambiar de estado al variar la presión y la temperatura. El agua, por ejemplo, se presenta en estado sólido como hielo, es líquida y puede estar en estado gaseoso como vapor de agua.

Cambios que experimenta la materia

Cambios físicos

Son aquellos que no alteran la composición de la sustancia, por ejemplo los cambios de estado (fusión, evaporación, sublimación) y los cambios de tamaño o forma, por ejemplo un trozo de oro se convierte en un anillo o un arete. Son cambios físicos porque son reversibles, es decir que se pueden regresar a su forma original. La materia cambia de estado físico cuando aumenta o disminuye la temperatura. Cuando se aplica calor a los cuerpos se habla de cambios progresivos de la materia. Cuando los cuerpos se enfrían sufren de cambios regresivos.

Cambios progresivos

Sublimación progresiva: se da cuando un cuerpo pasa del estado sólido al gaseoso directamente. Solo ocurre en algunas sustancias como el yodo y la naftalina.

Fusión: es el paso de una sustancia sólida a una líquida por la acción del calor. El punto de fusión es diferente para cada sustancia por ejemplo la fusión del hielo es de 0 grados centígrados y del hierro de 1525 grados centígrados.

Evaporación: es el paso de un estado líquido al gaseoso, ocurre normalmente a la temperatura ambiente sin necesidad de aplicar calor. Bajo esta circunstancia las partículas de la superficie pasarán de un estado líquido al gaseoso, las que están más abajo seguirán en su estado inicial. Sin embargo, si se aplica mayor calor tanto las partículas de la superficie como las de más abajo pasan al estado gaseoso, este cambio se denomina ebullición. En el nivel del mar el agua tiene un punto de ebullición de 100 grados centígrados y el alcohol de 78.5 grados centígrados.

El punto de fusión y ebullición pueden considerarse como las huellas digitales de una sustancia pues corresponden a valores característicos propios de cada sustancia y permiten su identificación.

Cambios regresivos de la materia

Sublimación regresiva: es el cambio de estado de una sustancia gaseosa a una sólida sin pasar por el estado líquido.

Solidificación: es el paso de una sustancia desde el estado líquido al sólido. Este proceso ocurre a una temperatura característica para cada sustancia denominada punto de solidificación y que coincide con su punto de fusión.

Condensación: es el cambio de estado que se produce en una sustancia al pasar del estado gaseoso al estado líquido. La temperatura a la que ocurre esta transformación se llama punto de condensación y corresponde al punto de ebullición de dicha sustancia.

Cambios químicos

son transformaciones que experimenta una sustancia cuando su estructura y composición varían dando lugar a la formación de sustancias nuevas diferentes, a la original. La mayoría de los cambios químicos son irreversibles por ejemplo nunca podríamos obtener de nuevo un cerillo a partir de sus cenizas.

Presión

Es la relación entre la fuerza ejercida y el área donde se aplica y se manifiesta en todos los estados de agregación. La presión es directamente proporcional a la magnitud de la fuerza e inversamente proporcional al área de contacto.

Se representa mediante la fórmula P: F/A

Cálculo de la presión

Al estudiar la presión de un líquido en reposo el medio es tratado como una distribución continua de la materia. Pero si nos referimos a la presión de gas debe entenderse como una presión media de las colisiones moleculares contra las paredes del recipiente. Para un objeto descansando sobre una superficie la fuerza que presiona sobre la superficie es el peso del objeto, pero en distintas orientaciones podría tener un área de contacto con la superficie diferente y de esta forma ejercer diferente presión. La unidad de medida de la presión es el Pa (Pascal)

Presión en fluidos

La fuerza asociada a la presión en un fluido en reposo se dirige al exterior del fluido por lo que debido al principio de acción y reacción resulta en una comprensión para el fluido jamás en una tracción.

La superficie libre de un líquido en reposo es siempre horizontal. Eso es cierto solo en la superficie de la tierra y a simple vista debido a la acción de gravedad constante. Si no hay acciones gravitatorias, la superficie de un fluido es esférica.

En los fluidos en reposo, un punto cualquiera de una masa líquida está sometida a una presión en función de la profundidad a la que se encuentra el punto. A mayor profundidad mayor presión.

La presión es la relación entre la fuerza ejercida y el área donde se aplica y se manifiesta en todos los estados de agregación (sólido, líquido y gaseoso). A mayor área mayor fuerza y por consecuencia mayor presión.

Principio de Pascal

La presión ejercida sobre la superficie de un líquido contenido en un recipiente cerrado se trasmite a todos los puntos del mismo y con la misma intensidad.

El principio de Pascal puede comprobarse utilizando una esfera hueca perforada en diferentes lugares y provista de un émbolo. Al llenar la esfera con agua y ejercer presión sobre ella mediante el émbolo se observa que el agua sale por todos los agujeros con la misma presión.

La ley de Pascal aplica a todos los fluidos, tanto líquidos como gases. Además resalta una diferencia importante entre los fluidos y los sólidos: un fluido trasmite presión (sin que esta se vea disminuida) mientras que un sólido trasmite una fuerza (sin que esta se vea disminuida).

Son muchos los usos que tiene esta ley en la vida diaria: en el uso de pastas dentífricas, aerosoles, jeringas, en los gatos mecánicos e hidráulicos, en las grúas gigantes, etc.

Temperatura y sus escalas de medición

La temperatura es una de las propiedades de la materia que está relacionada con la sensación de calor o frío que se siente en contacto con ella. Cuando tocamos un cuerpo que está a menos temperatura que nuestro cuerpo nos da una sensación de frío y al revés de calor. Cuando dos cuerpos se ponen en contacto con diferentes temperaturas se produce una transferencia de energía, en forma de calor del cuerpo caliente al frío, esto ocurre hasta que las temperaturas de ambos cuerpos se igualan.

La temperatura es una propiedad intensiva, es decir, no depende de la cantidad de la materia. A la temperatura se le considera como una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico.

La temperatura se mide a través de un termómetro que se basa en la propiedad que tiene el mercurio para dilatarse cuando aumenta la temperatura. Puede medir la temperatura por medio de la expasión y contracción del líquido a partir del equilibrio térmico.

Escalas de medición

Escala Celsius

Es la que estamos más acostumbrados a utilizar. Divide el rango entre las temperaturas de congelación y de ebullición del agua en 100 partes iguales. Las temperaturas en la escala Celsius son conocidas como grados Celsius.

Esta escala fue inventada en 1742 por el astrónomo Andres Celsius.

Escala Fahrenheit

Divide la diferencia entre los puntos de fusión y de ebullición del agua en 180 intervalos iguales. Las temperaturas en esta escala se conocen como grados Fahrenheit y es la más usada en los países anglosajones, fue establecida por el físico holándes Gabriel Daniel Fahrenheit en el año 1724.

Escala Kelvin

Lleva el nombre de William Thompson Kelvin, físico británico que diseño la escala en el año 1848. Prolonga la escala de Celsius hasta el cero absoluto, una temperatura hipotética caracterizada por una ausencia completa de energía calórica. Es una escala usada por los científicos y no tiene números negativos.

Fórmulas para convertir temperaturas

  • Grados centígrados a Fahrenheit ºF= ºCx1.8+32
  • Grados Fahrenheit a centígrados ºC= (ºF-32) / 1.8
  • Grados Kelvin a centígrados ºC=K-273.15
  • Grados centígrados a Kelvin K=ºC+273.15
  • Grados Fahrenheit a Kelvin K= 5/9 (ºF-32) + 273.15
  • Grados Kelvin a Fahrenheit ºF= 1.8 (K-273.15) + 32

Calor, transferencia de calor y principios térmicos


El calor es la energía total del movimiento molecular en una sustancia mientras temperatura es una medida de la energía molecular media. El calor depende de la velocidad de las partículas, su número, su tamaño y tipo. Por ejemplo, la temperatura de un vaso pequeño de agua puede ser la misma a la de un cubo, pero el cubo tiene más calor porque tiene más agua y por lo tanto más energía térmica total.

El calor hace que la temperatura aumente o disminuya, las temperaturas más altas tienen lugar cuando las moléculas se están moviendo, vibrando y rotando con mayor energía. Si tomamos dos recipientes de agua con la misma temperatura y las ponemos en contacto no habrá transferencia de energía entre ellas porque la energía media de las partículas en cada objeto es la misma. Pero si la temperatura de uno de los recipientes es más alta que el otro habrá una transferencia de energía del objeto más caliente al más frío, hasta que los dos alcancen la misma temperatura.

La temperatura no es energía sino una medida de ella, el calor sí es energía.

Formas de transferencia de calor

Conducción

Se basa en el contacto directo entre las partículas de dos cuerpos. Por ejemplo cuando se aplica un cautin a la soldadura este le transfiere su calor para fundirla. El atizador desplaza su calor hacia el extremo frío.

Convección

En ella un fluido (gas o líquido) transporta el calor de un objeto o zona más caliente. Cuando un fluido se calienta aumenta su volumen y en consecuencia disminuye su densidad. Por ejemplo cuando calentamos en la estufa una olla con agua el líquido más próximo al fondo se calienta por el calor que se ha transmitido por convección a través de la olla. El agua calentada asciende mientras el agua más fría desciende.

Radiación

Es cuando la energía se propaga por medio de ondas electromagnéticas o partículas subatómicas, puede darse en el vacío o a través de otro medio como el agua. Es lo que sucede cuando calientas comida en el horno de microondas. El calor atraviesa el espacio en forma de rayos infrarrojos.

Glosario del tema

Materia

es todo aquello que tiene localización espacial, posee energía y está sujeto a cambios en el tiempo y a interacciones con aparatos de medida.

Masa

Es la cantidad de materia contenida en un volumen cualquiera y es la misma en cualquier parte de la tierra.

Volumen

Es el lugar que ocupa un cuerpo en el espacio

Peso

es la acción de la gravedad de la tierra sobre los cuerpos.

Divisibilidad

Es la propiedad de un cuerpo de poder dividirse en pedazos más pequeños hasta llegar a las moléculas y átomos.

Porosidad

Como los cuerpos están formados por partículas diminutas éstas dejan entre sí espacios vacíos llamados poros.

Inercia

Es una propiedad por la que todos los cuerpos tienden a mantenerse en su estado de reposo o movimiento.

Impenetrabilidad

Es la imposibilidad de que dos cuerpos distintos ocupen el mismo espacio de manera simultánea.

Movimiento

Es la capacidad de un cuerpo de cambiar de posición como consecuencia de su interacción con otros.

Elasticidad

Es la propiedad que tienen los cuerpos de cambiar de forma cuando se les aplica una fuerza adecuada y de recobrar la forma original cuando se suspende la acción de la fuerza.

Densidad

Es una magnitud escalar referida a la cantidad de masa contenida en un determinado volumen de una sustancia

Presión

Magnitud física que mide como la proyección de la fuerza en dirección perpendicular por unidad de superficie.

Dilatación

Sucede cuando los cuerpos se calientan y tienden a expandirse y así ganan una mayor temperatura

Fuentes consultadas

¿Qué es el modelo cinético de partículas? [en línea] [Consultado el 3 de enero 2018] Disponible en <http://ciencias2guadalupevictoria.blogspot.mx/2014/01/que-es-el-modelo-cinetico-de-particulas.html>

La estructura de la materia [en línea] [Consultado el 3 de enero 2018] Disponible en <http://beat-equipo-fisica.blogspot.mx/2013/06/la-estructura-de-la-materia-partir-del.html>

Estructura de la materia a partir del modelo cinético de partículas [en línea] [Consultado el 3 de enero 2018] Disponible en <http://nuestrafisica2.blogspot.mx/2013/06/la-estructura-de-la-materia-partir-del_13.html>

Tema 2: La estructura de la materia [en línea] [Consultado el 3 de enero 2018] Disponible en <http://conocimientosparamejorar.blogspot.mx/2013/06/tema-2-la-estructura-de-la-materia.html>

Cómo citar este artículo

Estudia y aprende “La estructura de la materia a partir del modelo cinético de partículas” [en línea] 23 de enero 2018 [Fecha de consulta] Disponible en

Imagen
Icons made by Freepik from www.flaticon.com is licensed by CC 3.0 BY

 

Deja un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *