TEMA 2: La estructura de la materia a partir del
modelo cinético de partículas
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Modelo cinético: Para
entender cómo está formada la materia, tuvieron que pasar más de 20 siglos y
esa pregunta no está resuelta del todo. En un principio existieron dos teorías.
Una de ellas proponía a la materia como divisible hasta el infinito y que cada
de una de las partes conservaba las características de la totalidad de la cual
surgió. La otra teoría propone que la división infinita de la materia es
posible hasta cierto punto y que existe una cantidad mínima de la cual parte
todo.
Propiedades de la materia: Masa,
Volumen y Densidad.
LA
Materia es aquello de lo que están hechas las cosas, todo lo que está hecha
esta hecho de materia, dicha materia tiene dos propiedades generales:
·
Masa: Es una de
las propiedades de la materia. También se le puede llamar peso coloquialmente
aunque es más correcto hablar de masa, la masa de un objeto es la cantidad de
materia que tiene.
Aunque
aparentemente el objeto más grande tiene más masa, no debemos engañarnos por el
ojo. Un objeto no tiene mayor maya cuanto más grande es, sino cuanto más pesa.
La masa de mide
en gramos (g.) Si el peso del objeto es pequeño
Si la masa es más
grande se mide en kilogramos (kg.)
El hecho de medir la
masa de un objeto se llama pesar, para pesar usamos balanzas, una balanza de
cocina muestra la masa en gramos porque mide objetos con poca masa.
Una balanza de baño
muestra la masa de kg. Por qué mide objetos con mucha más masa.
·
Volumen: es una
de las propiedades de la materia, el volumen de un objeto es la cantidad de
espacio que ocupa, una pelota de baloncesto ocupa mayor volumen que una de
tenis.
No debemos
confundir la masa con el volumen, hay objetos que tienen mucho volumen y poca
masa.
Y hay objetos
que tienen poco volumen y mucha masa.
Con el volumen
la vista nos puede ayudar, ya que vemos el espacio que ocupa cada objeto,
aunque con la masa nos puede llevar a error.
En los Líquidos
el volumen coincide con la capacidad del
recipiente que ocupan:
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Si llenamos la
botella que tiene capacidad de un litro, solo puede contener un litro de líquido.
Si llenamos la jarra que tiene la capacidad para 0.5 litros solo puede contener
medio litro de agua (Los líquidos adaptan su forma al recipiente que los contiene)
Los volúmenes,
especialmente en los líquidos suele expresarse en estas unidades:
Mililitros (ml): Si
son volúmenes pequeños
Litros (l): si
son volúmenes más grandes
·
Densidad: esta
relaciona la masa con el volumen, surge de un cociente entre la masa de un
objeto y su volumen.
d-
densidad
m-
en kilogramos o en gramos d=
m/v
v-
en litros o mililitros
La
densidad se mide en unidades de masa divididas por las de volumen:
Kg/l = kilogramo/ litro
g/ml = gramo/mililitro
No
todas las sustancias tienen la misma densidad, una bola de plomo pesa mucho más
que una de goma del mismo tamaño, porque la densidad del plomo es mayor
Propiedades de la materia:
·
Estados de
agregación:
La materia se presenta
en tres estados o formas de agregación: sólido, líquido y gaseoso. Dadas las
condiciones existentes en la superficie terrestre, sólo algunas sustancias
pueden hallarse de modo natural en los tres estados, tal es el caso del agua.
La mayoría de sustancias se presentan en un estado concreto.
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Liquido: es un estado de agregación de la materia en forma
de fluido altamente incomprensible, lo que significa que su volumen es muy
aproximadamente, constante en un rango grande de presión, No tienen forma fija
pero sí volumen. La variabilidad de forma y el presentar unas propiedades muy
específicas son característicos de los líquidos.
Los líquidos, al igual que los sólidos,
tienen volumen constante. En los líquidos las partículas están unidas por unas
fuerzas de atracción menores que en los sólidos, por esta razón las partículas
de un líquido pueden trasladarse con libertad. El número de partículas por
unidad de volumen es muy alto, por ello son muy frecuentes las colisiones y
fricciones entre ellas.
Así se explica que los líquidos no
tengan forma fija y adopten la forma del recipiente que los contiene. También
se explican propiedades como la fluidez o la viscosidad.
En los líquidos el movimiento es
desordenado, pero existen asociaciones de varias partículas que, como si fueran
una, se mueven al unísono. Al aumentar la temperatura aumenta la movilidad de
las partículas (su energía).
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Solido: un cuero solido es uno de los “Cuatro” estados de agregación
de la materia se caracteriza por que opone resistencia a cambios de forma y de
volumen, las moléculas de un sólido tienen una gran cohesión y adoptan formas
bien definidas.
Los sólidos se
caracterizan por tener forma y volumen constantes. Esto se debe a que las
partículas que los forman están unidas por unas fuerzas de atracción grandes de
modo que ocupan posiciones casi fijas.
En el estado sólido
las partículas solamente pueden moverse vibrando u oscilando alrededor de
posiciones fijas, pero no pueden moverse trasladándose libremente a lo largo
del sólido.
Las partículas en el
estado sólido propiamente dicho, se disponen de forma ordenada, con una
regularidad espacial geométrica, que da lugar a diversas estructuras
cristalinas.
Al aumentar la
temperatura aumenta la vibración de las partículas:
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Gaseoso: Se le denomina gas al estado de agregación de la
materia en el que las sustancias no tienen forma ni volumen propio, adoptando
el de los recipientes que la contienen. Las moléculas que constituyen un gas
casi no son atraídas unas por otras, por lo que se mueven en el vacío a gran
velocidad y muy separadas unas de las otras.
Los gases, igual que
los líquidos, no tienen forma fija pero, a diferencia de éstos, su volumen
tampoco es fijo. También son fluidos, como los líquidos.
En los gases, las
fuerzas que mantienen unidas las partículas son muy pequeñas. En un gas el
número de partículas por unidad de volumen es también muy pequeño.
Las partículas se
mueven de forma desordenada, con choques entre ellas y con las paredes del
recipiente que los contiene. Esto explica las propiedades de expansibilidad y
compresibilidad que presentan los gases: sus partículas se mueven libremente,
de modo que ocupan todo el espacio disponible. La compresibilidad tiene un
límite, si se reduce mucho el volumen en que se encuentra confinado un gas éste
pasará a estado líquido.
Al aumentar la
temperatura las partículas se mueven más deprisa y chocan con más energía
contra las paredes del recipiente, por lo que aumenta la presión:
Presión relación fuerza y área; presión en fluidos
principio de pascal
La
olla a presión es uno de los ejemplos de cómo funcionan las fuerzas sobre una
unidad de superficie
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Es una magnitud física
que mide la fuerza por unidad de superficie y sirve para caracterizar como se
aplica una determinada fuerza sobre una superficie. En el SI la Presión se mide
en una unidad derivada que se denomina Pascal (Pa) que es equivalente a una
fuerza total de un Newton (N) actuando Uniformemente en 1m2
La presión se relaciona
con la forma en que se distribuye una fuerza en una determinada superficie.
Ahora bien, en un gas la presión también se debe a la distribución de la
fuerza, pero esta vez de la fuerza que ejerce cada una de las partículas sobre
una determinada superficie.
Los Fluidos están
expuestos a la acción de las diferentes fuerzas que se les apliquen; el
resultado de la aplicación de esas fuerzas es diferente. En los fluidos pueden
actuar 2 tipos de fuerzas: las internas y las externas.
En los gases, las fuerzas
internas provocan un empuje o presiona sobre la superficie que este en contacto
con ellos, es el resultado del choque de las moléculas que están siempre en
movimiento. En algunas ocasiones, él aplicarles una fuerza externa también se
provoca movimiento en sus moléculas. Las fuerzas internas permiten que los
líquidos ejerzan presión en las superficies de contacto con el recipiente y en
todos sus puntos interiores. Además, al aplicarles una fuerza externa sus
moléculas se ponen en movimiento.
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Las fuerzas externas de
los fluidos son las que actúan sobre la superficie de un líquido o gas
provocando que su forma cambie y que ocurra un desplazamiento del fluido. Por
esa razón, al tener grandes cantidades de un líquido en un recipiente y al
aplicarle una fuerza externa, el envase se rompe debido a la presión que se ejerce
sobre las paredes del mismo. Los fenómenos relacionados con el concepto de
presión involucran las ideas de Fuerza y de Superficie.
La presión indica la
relación entre la fuerza aplicada y el área sobre la cual actúa.
La presión se define
como la fuerza por unidad de superficie o de área. La presión depende de dos
factores que son la fuerza que se aplica y la superficie sobre la que actúa esa
fuerza.
La expresión
matemática de la presión indica que a mayor fuerza aplicada, mayor presión, y a
mayor área sobre la cual actúa la fuerza, menor presión.
P=F/A o
P=F/S P=presión.
F= fuerza.
A= área.
S= superficie.
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Principio de Pascal:
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Es una ley enunciada
por el físico y matemático francés Blaise pascal (1623–1662) que se resume en
la frase: La presión ejercida por un fluido incompresible y en equilibrio dentro
de un recipiente de paredes indeformables, se transmite con igual intensidad en
todas las direcciones y en todos los puntos del fluido.
Los cambios en
cualquier región de un fluido confinado y en reposo se transmiten si
alteraciones sin alteraciones a todas las regiones del fluido y actúan en todas
direcciones
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El principio de Pascal
puede comprobarse utilizando una esfera hueca, perforada en diferentes lugares
y provista de un embolo. 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 velocidad y por lo tanto con la misma presión.
El principio de pascal
quiere decir que el incremento de la presión aplicada a una superficie de un
fluido incompresible (liquido), contenido en un recipiente indeformable, se
transmite con el mismo valor a cada uno de las partes del mismo.
Temperatura y sus escalas de medición:
La temperatura es el
nivel de calor en un gas, líquido, o sólido. Tres escalas sirven comúnmente
para medir la temperatura. Las escalas de Celsius y de Fahrenheit son las más
comunes. La escala de Kelvin es primordialmente usada en experimentos científicos.
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·
Escala Celsius: La
escala Celsius fue inventada en 1742 por el astrónomo sueco Andrés Celsius.
Esta escala divide el rango entre las temperaturas de congelación y de
ebullición del agua en 100 partes iguales. Usted encontrará a veces esta escala
identificada como escala centígrada. Las temperaturas en la escala Celsius son
conocidas como grados Celsius (ºC).
·
Escala Fahrenheit: La escala Fahrenheit fue establecida por el físico
holandés-alemán Gabriel Daniel Fahrenheit, en 1724. Aun cuando muchos países
están usando ya la escala Celsius, la escala Fahrenheit es ampliamente usada en
los Estados Unidos. Esta escala divide la diferencia entre los puntos de fusión
y de ebullición del agua en 180 intervalos iguales. Las temperaturas en la
escala Fahrenheit son conocidas como grados Fahrenheit (ºF).
·
Escala de Kelvin: La escala de Kelvin lleva el nombre de William
Thompson Kelvin, un físico británico que la diseñó en 1848. Prolonga la escala
Celsius hasta el cero absoluto, una temperatura hipotética caracterizada por
una ausencia completa de energía calórica. Las temperaturas en esta escala son
llamadas Kelvin (K).
Cómo Convertir Temperaturas
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A veces hay que
convertir la temperatura de una escala a otra. A continuación encontrará cómo
hacer esto.
1.-Para convertir de
ºC a ºF use la fórmula: ºF = ºC x 1.8 +
32.
2.-Para convertir de
ºF a ºC use la fórmula: ºC = (ºF-32) ÷
1.8.
3.-Para convertir de K
a ºC use la fórmula: ºC = K – 273.15
4.-Para convertir de
ºC a K use la fórmula: K = ºC + 273.15.
5.-Para convertir de
ºF a K use la fórmula: K = 5/9 (ºF – 32) + 273.15.
6.-Para convertir de K
a ºF use la fórmula: ºF = 1.8 (K –
273.15) + 32.
Comparación entre Temperaturas
A continuación
encontrará algunas comparaciones comunes entre temperaturas de las escalas
Celsius y Fahrenheit.
TEMPERATURA
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ºC
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ºF
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Punto
Ebullición Agua
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100
|
212
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Punto
Congelación Agua
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0
|
32
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Temperatura
Corporal Promedio del Cuerpo Humano
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37
|
98.6
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Temperatura
ambiente confortable
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20 a
25
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68 a
77
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Calor, transferencia de calor y
procesos térmicos, dilatación y formas de propagación:
Calor
del sol llega por radiación.
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·
Calor: El calor es una cantidad de energía y
es una expresión del movimiento de las moléculas que componen un cuerpo. Cuando
el calor entra en un cuerpo se produce calentamiento y cuando sale,
enfriamiento. Incluso los objetos más fríos poseen algo de calor porque sus
átomos se están moviendo
El calor se
puede transferir mediante convección, radiación o conducción. Aunque estos tres
procesos pueden ocurrir al mismo tiempo, puede suceder que uno de los
mecanismos predomine sobre los otros dos.
Por ejemplo, el
calor se trasmite a través de la pared
de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada
sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra
recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación
 |
·
Transferencia de calor y procesos térmicos:
Cuando
se produce una transferencia de Calor, se intercambia energía en forma de calor
entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están
a distinta temperatura
·
Dilatación y
formas de propagación:
Radiación infrarroja
Radiación
electromagnética de mayor longitud de onda que la luz visible, pero menor que
la de las microondas. Equivalentemente, tiene menor frecuencia que la luz
visible y mayor que las microondas. Su nombre proviene precisamente de que su
frecuencia está justa por debajo de la de la luz roja.
Los rayos infrarrojos
o radiación térmica son un tipo de radiación electromagnética de una longitud
de onda superior a la de la luz visible pero más corta que la de las microondas.
El nombre de infrarrojo significa por debajo del rojo. El rojo es el color de
longitud de onda más larga de la luz visible, comprendida entre 700 nanómetros
y un milímetro.
Los infrarrojos son a
menudo subdivididos en infrarrojos cortos (0,7-5 µm), infrarrojos medios (5-30
µm) e infrarrojas largos (30-1000 µm). Sin embargo esta clasificación no es
precisa porque en cada área de su utilización, se tiene una idea de los límites
de los diferentes tipos. Los infrarrojos están asociados al calor debido a que
a temperatura normal los objetos emiten espontáneamente radiaciones en el rango
de los infrarrojos.
Convección térmica
La convección es una
forma de propagación de la energía que se produce en los líquidos y en los
gases. Es lo que suele ocurrir cuando calentamos un líquido: las zonas
calientes son más ligeras que las frías (debido a que se han dilatado y tienen
menor densidad); así, la materia más caliente asciende mientras que la más fría
desciende, formando corrientes de convección.
Conducción térmica
La conducción de calor
es un mecanismo de transferencia de energía térmica entre dos sistemas basado
en el contacto directo de sus partículas, que tienden a igualar su temperatura
o estado de excitación térmica.
La conductividad
térmica es una propiedad de los materiales que dice cuan fácil es la conducción
de calor a través de ellos. Es elevada en metales y en general en cuerpos
continuos, y es baja en los gases y en materiales iónicos y covalentes, siendo
muy baja en algunos materiales especiales como la fibra de vidrio, que se
denominan por eso aislantes térmicos. La conductividad térmica es nula en el
vacío ideal, y muy baja en ambientes donde se ha practicado un vacío elevado.
En algunos procesos
industriales se trabaja para incrementar la conducción de calor, bien
utilizando materiales de alta conductividad o configuraciones con un elevado
área de contacto. En otros, el efecto buscado es justo el contrario, y se desea
minimizar el efecto de la conducción, para lo que se emplean materiales de baja
conductividad térmica, vacíos intermedios, y se disponen en configuraciones con
poco área de contacto.
Conducción térmica
·
Dilatación: es
el aumento de volumen de un cuerpo por apartamiento de sus moléculas y disminución
de su densidad, es el incremento de volumen de un cuerpo por aumentar la
distancia entre sus moléculas con lo que si densidad disminuye.
Los cambios de temperatura
afectan el tamaño de los cuerpos pues la mayoría de ellos se dilatan al
calentarse y se contraen si se enfrían, los gases se dilatan mucho más que los líquidos
y estas más que los solidas
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