Estados de la materia: Sólido, Líquido y Gas

¿Cuál es la diferencia entre un sólido, un líquido o un gas?

En un sólido las fuerzas entre las partículas que lo forman son muy grandes, por eso están muy juntas formando estructuras ordenadas. Aún en los sólidos las partículas no están quietas, tienen un movimiento de vibración.

En un gas las fuerzas de atracción entre las partículas, aunque existen, son muy débiles. Por tanto, se mueven en todas direcciones chocando continuamente unas con otras y contra las paredes del recipiente que las contiene. Existe una gran separación entre las partículas, grandes espacios vacíos.

En un líquido la situación es intermedia. Las fuerzas entre partículas no son tan grandes como en los sólidos, ni tan débiles como en los gases. Las partículas están más separadas que en los sólidos, pero mucho menos que en los gases.

¿Por qué, generalmente, los sólidos tienen densidades elevadas mientras que los gases tienen una densidad baja y los líquidos presentan valores intermedios?

Si nos fijamos en la explicación anterior comprenderemos que en los sólidos la materia (partículas) tiende a estar muy junta. La masa por unidad de volumen será grande.

En los gases, al ser muy grande la separación entre las partículas, tendremos densidades pequeñas (poca masa por unidad de volumen) y en los líquidos la situación será intermedia.

¿Qué ocurre cuando calentamos una sustancia?

Cuando calentamos damos energía. Esta energía es transferida a las partículas que forman la materia lo que motiva que se muevan con mayor velocidad.

Si por el contrario enfriamos, quitamos energía a las partículas que se moverán ahora más lentamente.

El que una sustancia esté en un estado u otro depende de que las fuerzas que tienden a juntar las partículas sean capaces de contrarrestar la tendencia a separarse, que será tanto mayor cuanto mayor sea su energía. Si bajamos la temperatura, las partículas se moverán más lentamente y las fuerzas atractivas serán capaces de mantenerlas más juntas (el gas se transforma en líquido y si seguimos enfriando en sólido).

Si tenemos un sólido y lo calentamos el movimiento de vibración irá aumentando hasta que la energía sea suficiente para superar las fuerzas que las mantienen en sus posiciones. El sólido funde y se transforma en un líquido. Si seguimos calentando pasará a gas.

Experimento Ley de Charles

El siguiente experimento lo realizamos para demostrar la ley de Charles.

Experimentos de la Ley de Boyle

Estos son los experimentos que realizamos para demostrar la Ley de Charles.

 "POSTULADOS DE LA TEORÍA CINÉTICA DE LA MATERIA"

• Los gases están constituidos por partículas que se mueven en linea recta y al azar.

• Este movimiento se modifica si las partículas chocan entre si o con las paredes del recipiente.                                                                                   

• El movimiento de las partículas se considera despreciable comparado con e movimiento del gas.

• Entre las partículas del gas no existen fuerzas atractivas ni repulsivas.

Choques elásticos Ecm constante		Choques inelásticos Ecm variable

• En la Energía cinética (Ec) media de las partículas es proporcional a la temperatura absoluta del gas.

Ley de Gay-Lussac

Ley de Gay-Lussac

Esta es la tercera ley de los gases, reconocida por Joseph Gay-Lussac (1878-1850), afirma que a : volumen constante, la presión absoluta de un gas es directamente proporcional a la temperatura absoluta.


Por ejemplo:un frasco cerrado o una lata de aerosol que se lanzan al fuego explotarán a causa del aumento en la presión del gas interior, resultado del aumento de temperatura.

Las leyes de Boyle, Charles y Gay-Lussac en realidad no son leyes en el sentido en que se usa este término en la actualidad, es decir, en el sentido de precisión, profundidad y validez de amplio rango.

En realidad se trata de aproximaciones que son precisas sólo para gases reales en tanto la presión y la densidad del gas no sean demasiado altas y el gas no esté  demasiado cerca de la licuefacción.

 

Ley de Charles

Ley de Charles 

El francés Jacques Charles (1746-1823) descubrió que, cuando la presión no es demasiado elevada y se mantiene constante, el volumen de un gas aumenta con la temperatura a una tasa casi constante. Sin embargo, todos los gases se licuan a bajas temperaturas, así que la gráfica en escencia es una línea recta, y si se le proyecta a bajas temperaturas cruza el eje en aproximadamente -273° C.

Tal gráfica se puede dibujar para cualquie gas, y la línea recta siempre se proyecta de vuelta hacia -273°C a volumen cero. Esto parece implicar que, si un gas pudiese enfriarse a -273°C, tendría volumen cero, y a temperaturas más bajas tendría volumen negativo, lo que no tiene sentido. Se pondría argumentar que -273C es la temperatura más baja posible; de hecho, muchos otros experimentos recientes indican que esto es así. A esta temperatura se le llama cero absoluto de temperatura. Se ha determinado que su valor es -273.15°C.

El cero absoluto forma la base de una escala de temperatura conocida como escala absoluta o escala Kelvin y se utiliza extensamente en el trabajo científico. En esta escala la temperatura se especifica como grados Kelvin o, de preferencia, simplemente como Kelvins (K) , sin el signo de grado.

 

 Por lo tanto la Ley de Charles nos dice lo siguiente:

El volumen de una cantidad dada de gas es directamente proporcional a la temperatura absoluta cuando la presión se mantiene constante.

 

Leyes de los gases

Para continuar nuestros conocimientos previos y dejar más en claro que son las leyes de los gases, o para que sirven; primeramente podemos deducir que el volumen de un gas depende tanto de la presión como de la temperatura. Por eso, vale la pena determinar una relación entre el volumen, la presión, la temperatura y la masa de un gas. A esta relación se le conoce como "ecuación de estado".
 
Si cambia el estado de un sistema,siempre se esperará hasta que la presión y la temperatura hayan alcanzado los mismos valores en todo el sistema. Así que sólo se consideran estados de equilibrio de un sistema: cuando las varibles que lo describen como temperatura y presión son las misma a través de todo el sistema y no cambian con el tiempo. También se nota que los resultados de esta sección son precisos ólo para gases que no son demasiado densos y que no estan cerca del punto de ebullición.

 

Un ejemplo sería cuando la presión en un gas se duplica, el volumen se reduce a la mitad de su volumen original. Esta relación se conoce como Ley de Boyle ,en honor de Robrt Boyle (1627-1691), quien la estableció por primera vez sobre la base de sus propios experimentos.

La ley de Boyle se puede expresar de la siguiente forma:

PV= T (constante)