Física y Química Física y Química 3º ESOTema II: La materiaEl ilusionista de Genios

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2.1 ¿Qué es la materia?2.1 ¿Qué es la materia?• La materia se puede definir como todo aquello que

ocupa un sitio en el espacio y puede ser percibido por los sentidos además de presentar una masa significativa. La materia puede interaccionar además de tener asociada una energía. El aire, un libro, el agua, las ondas electromagnéticas…

La materia puede presentarse en un cuerpo material (si este tiene sus límites definidos como una mesa por ejemplo) o como un sistema material (si sus límites no están suficientemente bien limitados (como una nube por ejemplo).

Las propiedades de la materia puede ser propiedades generales que son aquellas propiedades que poseen todos los cuerpos (como regla nemotécnica se podría decir que son aquellas propiedades asociadas a la cantidad de materia) como la masa (que mide la cantidad de materia), el volumen (cantidad de espacio o capacidad que ocupan), el peso específico (el producto de la masa del cuerpo por la gravedad que atrapa a dicho cuerpo),; o propiedades específicas (que dependen del cuerpo o sistema material en concreto, independientemente de su cantidad) por ejemplo su color, su textura, su brillo, su magnetismo, la densidad (la relación m/V)…

2.2 Densidad, masa y volúmen 2.2 Densidad, masa y volúmen (problemas)(problemas)

• La densidad de la materia se puede obtener fácilmente de dividir la masa entre el volumen correspondiéndose a la siguiente fórmula:

d=m/V d=m/V

-Pudiéndose expresar en el SI como (g/cm3) o (kg/m3).

• La masa de un cuerpo en el SI se expresa en (Kg).

• El volumen de un cuerpo en el SI se expresa en (L) y por lo tanto en (dm3), aunque habitualmente también son usadas medidas tales como el (m3) o el (mL) y por lo tanto el (cm3).

ACTIVIDAD PRÁCTICA

¿Cuánto combustible (en Kg) podrá soportar de máximo un

depósito esférico de combustible fósil queroseno si de polo a polo en el

recipiente hay una distancia de 2 metros? Dato: densidad específica del

queroseno (0,8 g/cm3).

Solución: Puede soportar una máxima de 26,8 toneladas de queroseno.

Suponiendo que de una cantera un equipo de mineros a

conseguido extraer unas muestras de piedra calcita, un equipo de

geólogos ha determinado que la muestra total de calcita es un

total de 180,6 Kg. El equipo de científicos ha aportado el dato de la

densidad específica de la roca calcita: 2,7 g/cm3. Si se dispone de

un recipiente paralelepípedo cuyos lados miden 1; 1 y 1,5 metros

respectivamente, determina si la muestra cabe en dicho recipiente

o lo rebosaría.

Solución: En total hay un volumen de 0,067 metros cúbicos

aproximadamente, luego si que cabrá en el recipiente.

Un bastón de madera de ébano tiene una masa de 0,84 kg y un volumen de 620

cm3. Expresa en toneladas por metro cúbico la densidad de está madera.

¿Flotará en el agua?

Solución: a) 1,35 t/m3. b) Se hundirá ya que la densidad del bastón es mayo

que la del agua.

Los picnómetros son capaces de medir las densidades de la sustancias siendo estas sólidas, líquidas o gaseosas.

•También existen picnómetros para sustancias especialmente viscosas.

2.3 Estados de la materia.2.3 Estados de la materia. Según como se presente la materia, esta puede diferenciarse en

tres estados diferente según su estado de agregación de partículas, es decir según su estructura o morfología de partículas:

-Sólido: las partículas se encuentran en un estado verdaderamente compactado y presionado además de mantener una ligeranotable vibración (en función del sólido) particular por las propias partículas, en otras palabras, hay más densidad particular: esto es que por unidad de volumen hay más masa de la habitual de

partículas. Su volumen es invariable y no permiten un flujo de su propio cuerpo, su forma es fija también incapaz de ser alterada. A diferencia de los líquidos y los gases, los sólidos presentan generalmente mayor dureza y mayor densidad que su propio estado líquido por lo que se hunden (a diferencia del hielo). Si la estructura sólida es

estrictamente ordenada se habla de los cristales, en caso contrario de los amorfos.

-Líquido: las partículas se encuentran en un estado ligeramente más disgregado y son capaces de deslizarse unas de otras, la densidad particular es menor. Su volumen es fijo sin embargo su forma puede variar (por ejemplo si el líquido permanece en recipientes de diferente contorno).

-Gaseoso: es un estado propio de las sustancias que tienen una diminuta densidad particular ya que las partículas no mantienen contacto unas con otras vagando libremente por el espacio que ocupan hasta chocar unas con otras. Su volumen va en función del espacio que tengan que ocupar ocupando todo su contenido, carecen de forma fija adoptando la forma que presenta el espacio que ocupan y son fácilmente comprensibles. Junto con los líquidos se denominan fluidos.

Pantallas de cristal líquido.Pantallas de cristal líquido.

Alterando las condiciones de presión y temperatura de una sustancia esta puede verse sometida a un cambio de estado. Los cambios de estado están cimentados en el modelo cinético-molecular descrito por el irlandés Robert Boyle (1627-1691) en el siglo XVII. Los cambios de estado pueden ser:

- De fusión: que consiste en el paso del estado sólido de una sustancia a un estado líquido. Por ejemplo del hielo al agua.

- De vaporización: que consiste en el paso del estado líquido de una sustancia a un estado gas. Por ejemplo del agua al vapor de agua. La vaporización puede ser de dos tipos diferentes:

+Evaporización: si la vaporización se desarrolla solo en la superficie del líquido y a cualquier temperatura.

+Ebullición: si la vaporización se desarrolla en toda la masa del líquido y cada sustancia tiene su punto concreto de ebullición, por ejemplo en el caso del agua son los 100ºC.

- Condensación o licuación: consiste en el paso del estado gas de una sustancia a un estado líquido, por ejemplo del vapor de agua a agua.

- Solidificación: que consiste en el paso de una sustancia líquida a un estado sólido.

- Sublimación: es un cambio de estado curioso ya que consiste en el paso directo del estado sólido al estado gas sin pasar ni siquiera por el estado líquido antes. Una sustancia que experimenta este tipo de cambio de estado por ejemplo es el naftaleno, sustancia presente en los ambientadores. En caso contrario, se denomina sublimación inversa si el cambio sucede desde el estado gas hasta el estado sólido.

*En las propiedades características de las sustancias destacan las temperaturas de fusión y ebullición que son aquellos límites de temperatura en las cuales la sustancia inicia su cambio de estado correspondiente. Algunos ejemplos citados son los siguientes:

Sustancia Tª Fusión Tª Ebullición

Agua 0 ºC 100 ºC

Oxígeno -219ºC -183ºC

Amoniaco -78ºC -34ºC

Sal común 801ºC 1413ºC

Mercurio -39ºC 357ºC

Wolframio 3387ºC 5527ºC

Cloro -101ºC -34ºC

Nitrógeno -210ºC -195ºC

Carbono 3527ºC 4827ºC

Esquema Cambios de estado.Esquema Cambios de estado.

2.4 Teoría cinético molecular.2.4 Teoría cinético molecular. Pre-orígenes: Antes de la implantación de la teoría cinético molecular, se daba por verídica el modelo estático-molecular

argumentada por Lavoiser (1743-1794) refutando una teoría anterior denominada teoría del flogisto (la cual argumentaba que el calor era dicha sustancia llamada flogisto la cual nacía de las combustiones) en el siglo XVIII el cual defendía que las partículas de la materia estaban en una posición de equilibrio la cual era alterada por una sustancia denominada calórico la cual agitaba las partículas y sería la responsable de los cambios de estado siendo por supuesto la responsable del comportamiento del calor.

Teoría cinético molecular: fue promulgada por el científico Robert Boyle (1627-1697) y finalmente verificada por el físico Daniel Bernoulli (1700-1782) en 1738. Tres científicos Clausius, Maxwell y Boltzmann teniendo en cuenta la presencia de las partículas en las sustancias establecióeronuna serie de premisas y características en dicha teoría:

1º) Las partículas están en continuo movimiento, siendo en los gases un movimiento rectilíneo azaroso que chocan con las paredes del recipiente o entre ellas mismas sin perder energía simbólica.

2º) El volumen de las partículas en infinitamente menor que el del recipiente que lo contiene, siendo existente pero no simbólico, en otras palabras, las partículas se representan en esta teoría con cierta masa pero apenas volumen.

3º) Entre partículas existen fuerzas ya sean atractivas (como en el caso de los sólidos) si tienden a unir las partículas o repulsivas si tienden a alejarlas (como en el caso de los gases).

El experimento browniano demostró la veracidad de esta teoría en 1863 ya que si observamos motas de polen o de polvo en suspensión en un agua inmóvil, estas se desplazan como si estuvieran vivas, en realidad no lo están, son las partículas del agua que chocan contra ellas y las fuerzan a moverse.

Boyle: el cual propuso los inicios a la teoría cinético molecular. Bernoulli: el cual la verificó.

2.5 Razonamiento de la teoría cinética-2.5 Razonamiento de la teoría cinética-molecular en base a la presión y la temperatura.molecular en base a la presión y la temperatura.

1º) En función de la temperatura. 2ª) En función de la presión.

La energía cinética (aquella energía relacionada con el movimiento de las partículas) va en proporción con la temperatura que estas alcancen. Así pues a mayor temperatura mayor será la energía cinética y por lo tanto las partículas tendrán la tendencia a separarse unas de otras. Así es de juicio comprender que si sometemos a un sólido a alta temperatura, sus partículas se separarán y se verá convertido a líquido, y de igual forma un líquido se verá afectado por una alta temperatura que termine expandiendo sus partículas formando el gas.

La compactación de las partículas viene influenciada por la presión, así si tenemos un alto valor de la presión que comprima un gas, sus partículas perderán espacio para moverse con mayor libertad hasta tal punto que solo puedan deslizarse unas con otras, entonces el gas se habrá convertido en líquido, si el líquido se sigue comprimiendo sometiéndolo a más presión aún, el espacio cada vez se hará más pequeño y las partículas perderán prácticamente toda su movilidad por el espacio convirtiéndose así en sólido.

En función a la temperatura. En función a la presión.

2.6 Las leyes de los gases 2.6 Las leyes de los gases experimentales.experimentales.

En unos estudios realizados por los físicos Robert Boyle (1627-1691) y Edme Mariotte (1620-1684) se reveló que la presión, el volumen y la temperatura guardan relaciones entre sí en una cantidad de masa fija de un gas. Estos estudios fueron enriquecidos por los físicos Jacques Charles (1746-1823) y por Gay Lussac (1778-1850) en un siglo posterior.

La primera ley denominada ley de Boyle Mariotte defiende que para una masa fija de gas a temperatura cte. El producto de la presión por el volumen permanece cte. Es un proceso isotérmico(T=cte.) En caso de que aumente la presión el volúmen disminuye. (ver imágenes I y II)

La segunda ley denominada Primera Ley de Charles y Gay Lussac defiende que el volumen de una masa fija de gas a presión cte. Es proporcional a la temperatura total, en otras palabras, la relación V/T=cte. Es un proceso isóbaro (P=cte.) (ver imágenes III y IV)

La tercera ley denominada Segunda Ley de Charles y Gay Lussac defiende que la presión de una masa fija de gas a volumen cte. Es proporcional a la temperatura total, en otras palabras, la relación p/T=cte. Es un proceso isócoro. (ver imágenes V y VI)