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)

Gases ideales

TEORÍA CINÉTICA DE LA MATERIA

El análisis de la materia en términos de átomos en continuo movimiento aleatorio se llama teoría cinética. La teoría cinética se basa en las leyes de la mecánica clásica, existe una importante relación entre la energía cinética promedio de las moléculas en un gas y la temperatura absoluta.

Postulados de la teoría cinética 

1.- Existe un gran número de moléculas, N,cada una con masa m, que se mueven en direcciones aleatorias con diferente rapidez. Esta suposición está en concordancia con la observación de que un gas llena su contenedor y, en el caso del aire en la Tierra, sólo la fuerza de gravedad evita que escape.

2.- Las moléculas están, en promedio, bastante separadas unas de otras. Esto es, su separación promedio es mucho mayor que el diámetro de cada molécula.

3.- Se supone que las móleculas obedecen las leyes de la mécanica clásica y se supone que interactúan una con otra sólo cuando chocan. Aunque las moléculas ejercen mutuamente fuerzas atractivas débiles entre colisiones, la energía potencial asociada con esa fuerzas atractivas es pequeña en comparación con la energía cinética, y por el momento se le ignora.

4.- Las colisionescon otra mólecula o la pared del contenedor se suponen perfectamente elásticas, como las colisiones de las bolas de billar perfectamente elásticas. Se supone que las colisiones son de muy corta duración comparadas con el tiempo entre colisiones. Entonces es posible ignorar la energía potencial asociada con las colisiones en comparación con la energía cinética entre colisones.

De esta manera se puede explicar la Ley de Boyle.

BIBLIOGRAFIA: Física principios y aplicación ,Giancoli Douglas C., sexta edición,  ed. Pearson.

 

https://www.youtube.com/watch?v=Nk8audj7R5A

LEY DE LOS GASES

"LAS PROPIEDADES CARACTERÍSTICAS SEGÚN LA TEORÍA CINÉTICA"

A los líquidos y gases.

1. La materia está formada por partículas muy pequeñas.

2. Esta en continuo movimiento. 

3.La velocidad media varía según el estado físico.

4.En los gases la velocidad de traslación es grande  y en los sólidos sólo hay movimiento de vibración.

5. Hay fuerzas de cohesión entre partículas aunque su intensidad varía desde los sólidos (muy intensas) a los gases (muy débiles).

6. La distancia entre partículas varía según el estado físico. En los sólidos muy juntas y en los gases muy separadas.

 ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA

SÓLIDO:

Están formados por partículas que se atraen con gran fuerza lo que las hace permanecer muy juntas y que su volumen y forma sean constantes. A pesa de ello las partículas que los forman están sometidas a una pequeñísima vibración alrededor de unas posiciones de equilibrio.

LÍQUIDO:

Las partículas que forman los líquidos se atraen fuertemente entre si lo que les hace tener volumen constante pero pueden cambiar de posición unas respecto de otras lo que permite que cambien su forma según sea la del recipiente que los contiene. 

GAS:

Los gases están formados por partículas muy separadas debido a la poca atracción entre ellas, lo que les da gran movilidad y les permite ocupar la totalidad del recipiente que los contiene y así como adquirir su forma.

LOS GASES

Los gases tienen las siguientes características:

- Masa constante.

- Volumen variable, depende de la presión ejercida.

- Forma variable, depende de la del recipiente donde se encuentre.

- Son muy fluidos.

Ejemplos de gases: el aire(mezcla de gases), dióxido de carbono, monóxido de carbono, metano, amoniaco, sulfuro de hidrógeno.

La mayoría son incoloros, algunos son coloreados como el cloro de color amarillo verdoso.

La mayoría son inodoros, pero algunos tiene olor penetrante como el amoniaco y sulfuro de hidrógeno.

EL GAS QUE NOS RODEA:    "LA ATMÓSFERA"

Es la capa gaseosa que cubre la Tierra y se mantiene unida a ella debido a la fuerza de atracción gravitatoria. El radio de la Tierra es de 6500 km y el espesor de la atmósfera es de unos 1000 km (los 30 primeros contienen el 99% de su masa ).

Composición

La atmósfera terrestre es una mezcla de gases.

Los más abundantes son:

Nitrógeno: 78% del volumen total del aire.

Oxígeno: 21 % del volumen total del aire.

En menor porcentaje contiene:

Dióxido de carbono, vapor de agua, gases nobles (argón, criptón , neón y helio), ozono y otras.

La presión atmosférica

Es la que se ejerce en todas las direcciones sobre los cuerpos situados en ella. Se debe al peso de la masa gaseosa situada sobre ellos. Fue medida por primera vez por E. Torriccelli en el siglo XVII.

La presión atmosférica normal a 0º C y al nivel del mar(altitud 0 m) es 
1 atm = 760 mm de mercurio= 101300 Pa ≈ 1 bar

La ley de los gases ideales es la ecuación de estado del gas ideal, un gas hipotético formado por partículas puntuales, sin atracción ni repulsión entre ellas y cuyos choques son perfectamente elásticos (conservación de momento y energía cinética). 
Los gases reales que más se aproximan al comportamiento del gas ideal son los gases monoatómicos en condiciones de baja presión y alta temperatura.

Empíricamente, se observan una serie de relaciones entre la temperatura, la presión y el volumen que dan lugar a la ley de los gases ideales, deducida por primera vez por Émile Clapeyron en 1834.   

Ecuación de los gases ideales

 LEYES:

1. Ley de Avogadro

2. Ley de Boyle

3. Ley de Charles

4. Ley de Gay-Lussac

LEY DE AVOGADRO
Relación entre la cantidad de gas y su volumen

Esta ley, descubierta por Avogadro a principios del siglo XIX, establece la relación entre la cantidad de gas y su volumen cuando se mantienen constantes la temperatura y la presión,(la cantidad de gas la medimos en moles).

El volumen es directamente proporcional a la cantidad de gas: •Si aumentamos la cantidad de gas, aumentará el volumen. •Si disminuimos la cantidad de gas, el volumen disminuye.

¿Por qué ocurre esto?

Aumentamos la cantidad de gas. Esto quiere decir que al haber mayor número de moléculas aumentará la frecuencia de los choques con las paredes del recipiente lo que implica (por un instante) que la presión dentro del recipiente es mayor que la exterior y esto provoca que el émbolo se desplace hacia arriba inmediatamente. Al haber ahora mayor distancia entre las paredes (es decir, mayor volumen del recipiente) el número de choques de las moléculas contra las paredes disminuye y la presión vuelve a su valor original.

Según hemos visto en la animación anterior, también podemos expresar la ley de Avogadro así:

(el cociente entre el volumen y la cantidad de gas es constante)

.

Ley de Boyle

Relación entre la presión y el volumen de un gas cuando la temperatura es constante.

Fue descubierta por Robert Boyle en 1662. Edme Mariotte también llegó a la misma conclusión que Boyle, pero no publicó sus trabajos hasta 1676. 
Esta es la razón por la que en muchos libros encontramos esta ley con el nombre de Ley de Boyle y Mariotte.
La ley de Boyle establece que la presión de un gas en un recipiente cerrado es inversamente proporcional al volumen del recipiente, cuando la temperatura es constante.

El volumen es inversamente proporcional a la presión: •Si la presión aumenta, el volumen disminuye. •Si la presión disminuye, el volumen aumenta.

¿Por qué ocurre esto?

Al aumentar el volumen, las partículas (átomos o moléculas) del gas tardan más en llegar a las paredes del recipiente y por lo tanto chocan menos veces por unidad de tiempo contra ellas. Esto significa que la presión será menor ya que ésta representa la frecuencia de choques del gas contra las paredes.

Cuando disminuye el volumen la distancia que tienen que recorrer las partículas es menor y por tanto se producen más choques en cada unidad de tiempo: aumenta la presión.

Lo que Boyle descubrió es que si la cantidad de gas y la temperatura permanecen constantes, el producto de la presión por el volumen siempre tiene el mismo valor.

Como hemos visto, la expresión matemática de esta ley es:

(el producto de la presión por el volumen es constante)

Ley de Charles

Relación entre la temperatura y el volumen de un gas cuando la presión es constante

En 1787, Jack Charles estudió por primera vez la relación entre el volumen y la temperatura de una muestra de gas a presión constante y observó que cuando se aumentaba la temperatura el volumen del gas también aumentaba y que al enfriar el volumen disminuía.

El volumen es directamente proporcional a la temperatura del gas: •Si la temperatura aumenta, el volumen del gas aumenta. •Si la temperatura del gas disminuye, el volumen disminuye.

¿Por qué ocurre esto?

Cuando aumentamos la temperatura del gas las moléculas se mueven con más rapidez y tardan menos tiempo en alcanzar las paredes del recipiente. Esto quiere decir que el número de choques por unidad de tiempo será mayor. Es decir se producirá un aumento (por un instante) de la presión en el interior del recipiente y aumentará el volumen (el émbolo se desplazará hacia arriba hasta que la presión se iguale con la exterior).

Lo que Charles descubrió es que si la cantidad de gas y la presión permanecen constantes, el cociente entre el volumen y la temperatura siempre tiene el mismo valor.

Matemáticamente podemos expresarlo así:

(el cociente entre el volumen y la temperatura es constante)

Ley de Gay-Lussac

Relación entre la presión y la temperatura de un gas cuando el volumen es constante

Fue enunciada por Joseph Louis Gay-Lussac a principios de 1800.
Establece la relación entre la temperatura y la presión de un gas cuando el volumen es constante.

La presión del gas es directamente proporcional a su temperatura: •Si aumentamos la temperatura, aumentará la presión. •Si disminuimos la temperatura, disminuirá la presión.

¿Por qué ocurre esto?

Al aumentar la temperatura las moléculas del gas se mueven más rápidamente y por tanto aumenta el número de choques contra las paredes, es decir aumenta la presión ya que el recipiente es de paredes fijas y su volumen no puede cambiar.

Gay-Lussac descubrió que, en cualquier momento de este proceso, el cociente entre la presión y la temperatura siempre tenía el mismo valor:

(el cociente entre la presión y la temperatura es constante)