La materia y sus estados

ALUMNO:
AUTOR:
Prof. Lic. CLAUDIO NASO
Prof. Lic. Claudio Naso
1
Físico-química 2º ES
La materia y sus estados
2- LA MATERIA Y SUS ESTADOS
2.1- Teoría Atómica de la Materia
Al estudiar las propiedades de la materia es conveniente recordar que las
sustancias pueden encontrarse en tres estados: sólido, líquido y gaseoso. Se puede hacer que la
mayoría de las sustancias tomen cualquiera de estos tres estados, simplemente por cambios de
temperatura y o presión.La teoría atómica de la materia considera que toda la materia del Universo está
formada por cuerpos pequeñísimos llamados átomos y que en todo momento estos están en
rápido movimiento. La rapidez de estos movimientos depende fundamentalmente de la
temperatura, el estado y la clase de átomos que forman al cuerpo.
2.1.1- Átomos
Aunque hay miles de sustancias diferentes que forman los objetos que nos rodean,
se encuentra que todos están compuestos de una o más clases de átomos. Los átomos están
constituidos por unidades más pequeñas: los protones, los neutrones y los electrones.
Los protones y neutrones se encuentran en el núcleo del átomo, donde esta
concentrada prácticamente toda la masa y los electrones se encuentran orbitando a gran
velocidad alrededor del núcleo. Más adelante, estudiaremos una propiedad que tienen estas
partículas denominada carga eléctrica.
Una sustancia que contiene solo átomos de una clase, se llama elemento. Mientras
que aquellas que contienen más de una clase de átomos se denominan compuestos o mezclas.
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Son ejemplos de elementos: el hierro, cobre, aluminio, platino, mercurio, hidrógeno,
helio, mientras que el agua, sal, bronce, madera y aire, son ejemplos de compuestos y mezclas.
ALGUNOS ELEMENTOS QUÍMICOS
Número
Elemento Símbolo
Masa
atómico
atómica
1
hidrógeno
H
1.0078
2
helio
He
4.004
3
litio
Li
6.940
4
berilio
Be
9.02
6
carbono
C
12.01
7
nitrógeno
N
14.01
8
oxígeno
O
16.000
10
neón
Ne
20.183
13
aluminio
Al
26.97
26
hierro
Fe
55.84
29
cobre
Cu
63.57
47
plata
Ag
107.88
50
estaño
Sn
118.70
78
platino
Pt
195.23
79
oro
Au
197.2
80
mercurio
Hg
200.61
82
plomo
Pb
207.18
88
radio
Ra
225.95
92
uranio
U
238.17
94
plutonio
Pu
239.18
Se acostumbra a asignar dos números para cada elemento, uno llamado número
atómico y el otro llamado masa atómica.
El número atómico específica la posición que ocupa el elemento con respecto a
los demás y coincide con la cantidad de protones que dicho átomo tiene en el núcleo, mientras
que la masa atómica dado a la derecha, nos proporciona la masa promedio de un átomo de ese
elemento en relación con la de un átomo de carbono al cual se le da arbitrariamente, el valor 12.
Este número coincide aproximadamente con la suma de la cantidad de protones y neutrones que
hay en el núcleo.
Sobre esa base el elemento más ligero conocido es el átomo de hidrógeno que
tiene un peso promedio muy próximo a la unidad.
Para ilustrar la pequeñez de los átomos veamos la masa en kilogramos y el diámetro
aproximado en metros para el elemento más ligero, el hidrógeno y el más pesado, el plutonio.HIDRÓGENO
PLUTONIO
Masa: 1,66 . 10-27 kg.
diámetro: 1 10-10 m
Masa: 3,9 . 10-25 kg.
Diámetro: 6 . 10-10 m
2.1.2- Moléculas
Una de las propiedades más importantes de los átomos es su capacidad de actuar
unos sobre otros a cierta distancia.
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Algunos átomos ejercen entre sí fuerzas de atracción cuando se acercan mientras
que otros se repelen. Estas fuerzas son de carácter eléctrico y cumplen con principios de la
electricidad que se estudiarán más adelante.
Cuando se produce atracción entre dos o más átomos estos pueden combinarse
para formar una molécula.
En general, las moléculas, pueden contener casi cualquier número de átomos. Se
denominan monoatómicas, si tienen un átomo como el helio He, biatómicas si tienen dos como el
oxígeno O2, triatómicas como el agua H2O o el ozono O3, etc.
2.2- LOS TRES ESTADOS DE LA MATERIA
Como ya dijimos la materia puede existir en tres estados: sólido, líquido y gaseoso. Si un
sólido se calienta suficientemente puede hacerse que se derrita y se licue y si se continúa
calentando, hacerlo hervir o evaporar. Al convertirse en vapor queda en estado gaseoso.
Por otra parte si un gas se enfría lo necesario, podrá condensarse y convertirse en
líquido.
El continuo enfriamiento de un líquido hará que se solidifique o congele.
También es posible que un cuerpo en estado sólido pase directamente al gaseoso,
este proceso se denomina volatilización. En cambio si de estado gaseoso pasa a sólido se
denomina sublimación.
El proceso puede ilustrarse con el siguiente esquema:
Todas las sustancias pueden transformarse de un estado a otro variando su
temperatura y o su presión, aunque a veces lograrlo puede ser muy complicado.
2.2.1- EL ESTADO GASEOSO:
Cuando una sustancia está en este estado, se encuentra en una condición de
extremo enrarecimiento. La mayoría de los átomos se encuentran agrupados en moléculas, que
normalmente se encuentra alejadas una de otras. Estas moléculas no están en reposo, sino que se
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mueven a velocidades extremadamente elevadas, chocando unas con otras y con las paredes
del recipiente.
Estos golpes de los muchos de millones de moléculas que pegan contra las paredes
del recipiente son los que provocan lo que llamamos "la presión de los gases".
Cuando se bombea aire para llenar una cámara de automóvil o de pelota de fútbol,
se está observando un claro ejemplo de presión de un gas.
Como por dentro hay muchas más moléculas de aire bombardeando las paredes de
goma que por fuera, las paredes se mantienen firmes.
Además de moverse linealmente las moléculas gaseosas formadas por dos o más
átomos, también vibran y giran en torno a su centro de masas. Todos estos movimientos aumentan
de velocidad al elevarse la temperatura. Produciendo un aumento de presión.
Cuando se disminuye la temperatura se hacen más lentos lo cual disminuye la presión.
2.2.2- EL ESTADO LÍQUIDO:
Cuando se enfría continuamente un gas el movimiento molecular se hace cada vez
más lento, hasta que a cierta temperatura el gas se condensa en un volumen mucho menor y se
convierte en líquido. Aunque las moléculas siguen moviéndose, no se mueven tan rápidamente
como lo hacían en estado gaseoso. Por otra parte por estar mucho más cerca, se atraen con
fuerzas denominadas intermoleculares que hacen que su movimiento se produzca en enjambres
compactos.
2.2.3- EL ESTADO SÓLIDO:
A medida que se baja la temperatura de un líquido, disminuye la velocidad molecular.
Esto permite que las moléculas se acomoden más cerca entre sí y explica la ligera contracción de
la mayoría de los líquidos al enfriarse y la correspondiente dilatación al calentarse.
En el estado sólido, cada molécula se encuentra confinada a un pequeño espacio
definido entre las moléculas vecinas conformando las denominadas estructuras cristalinas.
Tenemos que entender que aun en este estado las moléculas no están quietas, pues
continúan vibrando.
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2.3- TEMPERATURA
Frecuentemente decimos que algo está caliente o frío, comentamos que hace calor o
que la gaseosa solo nos gusta si está fría. Pero ¿qué significa caliente y frío?
La temperatura es una magnitud escalar que esta relacionada con el estado de
agitación de las moléculas que componen un cuerpo, por lo tanto, la temperatura es una
propiedad de la materia. Si bien todos los cuerpos tienen temperatura, es imposible medirla
directamente, para obtener su valor se utiliza un instrumento denominado termómetro.
De hecho, muchos definen a la temperatura como aquella magnitud que se puede
medir con un termómetro.
2.3.1- Termómetros:
Un termómetro se pone en contacto con el cuerpo al que se quiere medir la
temperatura y se espera unos instantes hasta que alcance la misma temperatura que el cuerpo
(en esta situación decimos que se ha logrado el equilibrio térmico). La variación de la temperatura
en el termómetro provoca la modificación de alguna de sus propiedades físicas, por ejemplo:
varía la longitud de algún componente del termómetro (dilatación), o la resistencia eléctrica de
un alambre, o la presión de un gas, etc.
2.3.1-1- Termómetro de Galileo
El primer registro auténtico de un termómetro se remonta a la época
de Galileo. El termómetro de Galileo como muestra la figura, consiste en un tubo
estrecho de vidrio, con una abertura en un extremo y un bulbo en el otro. El
extremo abierto del tubo se llena con agua coloreada y se invierte dentro de un
vaso con agua. Cuando sube la temperatura del aire que rodea al termómetro, el
aire dentro del bulbo entra en "equilibrio térmico" con el exterior y se dilata
forzando al agua hacia abajo. Si se enfría el bulbo, el aire interior se contrae
haciendo subir el agua por el tubo (para más precisión, la presión atmosférica del
exterior empuja el agua hacia arriba).
Se puede agregar al tubo estrecho una escala graduada,
quedando las temperaturas bajas en la parte superior y las temperaturas altas en la
parte inferior del tubo.
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2.3.1.2- Termómetro de mercurio:
El más común de los aparatos medidores de temperatura, es el
termómetro de mercurio, como se ve en la figura. Consiste en un tubo delgado de
vidrio (tubo capilar), unido en su extremo inferior a un pequeño bulbo y tiene su
extremo superior cerrado. El bulbo y una parte del tubo capilar se llenan de
mercurio y se hace vacío en la parte restante del tubo. Cuando sube la
temperatura, el mercurio y el tubo de vidrio se dilatan. Como el mercurio se dilata
más que el vidrio, sube a un nivel más alto dentro del tubo capilar. En el vidrio del
tubo se graba una escala para leer las temperaturas.
2.3.1.3- Termómetros Eléctricos
Si se va a medir una temperatura muy baja o muy alta, deben emplearse otros
termómetros distintos al de mercurio.
A temperaturas inferiores a -39ºC el mercurio se solidifica y a temperaturas altas se
funde el vidrio. Para estas temperaturas extremas se usan corrientemente termómetros eléctricos.
Este instrumento opera basándose en el principio de que la resistencia que un alambre opone al
paso de la corriente.
2.3.1.4- Termómetro clínico o de máxima
Los termómetros convencionales miden la temperatura de un cuerpo en cada
instante, es decir, si la temperatura sube el termómetro lo registra y si baja, la columna de mercurio
desciende. En muchas oportunidades esto es un inconveniente. Por ejemplo si se desea registrar la
máxima temperatura que ha alcanzado un sistema durante un período de tiempo. También si se
desea medir la temperatura de una persona tenemos el problema de que al retirarle el
termómetro este deja de estar en contacto con el cuerpo y se pone en contacto con el aire que
está a una temperatura menor y por lo tanto la columna bajará.
Para estos y otros muchos casos se utilizan los llamados termómetros de máxima que
cuentan con un estrechamiento en el tubo capilar por encima del bulbo. Esto impide que la
columna de mercurio baje. Para ser utilizado nuevamente debe forzarse el descenso de la
columna lo que se logra con unos cuantos sacudones.
2.3.1.5- Pirómetro Óptico
Cuando se deben medir temperaturas muy altas, por ejemplo la temperatura de un
horno que se utiliza para fundir metales o vidrio, se utilizan instrumentos llamados pirómetros
ópticos que se basan en el hecho que a altas temperaturas los cuerpos emiten luz y el brillo de esa
luz depende de la temperatura a la que se encuentra. Mediante un anteojo especial se compara
la luz emitida por el cuerpo al que se le desea medir la temperatura, con el brillo emitido por un
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filamento de platino que se pone incandescente por acción de una corriente eléctrica que
puede variarse a voluntad. Cuando el filamento se hace invisible significa que la temperatura de
este y cuerpo es la misma. Midiendo la intensidad de corriente que circula por el filamento se
obtiene la temperatura, debido a que serán proporcionales.
Esquema de un pirómetro óptico
2.3.1.6- Termómetro digital
Es muy común hoy en día ver termómetros digitales. En ellos dos hilos de metales
distintos se encuentran soldados en uno de sus extremos. Cuando la temperatura varía a uno y
otro lado de la soldadura se genera proporcionalmente en el alambre una diferencia de
potencial (Voltaje) a partir del cual un microprocesador indica el valor de la temperatura en el
display.
2.3.2- ESCALAS DE TEMPERATURAS
Para graduar cualquier termómetro se necesitan dos puntos fijos entre los cuales definir
la unidad de temperatura. Comúnmente se utilizan el punto de fusión del hielo y el punto de
ebullición del agua.
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El S.I. utiliza dos escalas de temperaturas que son: la Centígrada o Celsius, la de Kelvin
o Absoluta.
Los termómetros se fabrican de forma idéntica, aunque tengan diferentes escalas.
La escala Celsius es usada en la vida diaria. Ésta da el valor 0ºC a la temperatura de
fusión del hielo y 100ºC a la de evaporación del agua (figura 3).
La escala Kelvin es usada en todo el mundo para medidas científicas, ésta tiene en
cuenta que existe una temperatura mínima posible, que corresponde al estado de reposo de las
moléculas que componen un cuerpo y le asigna el valor 0 K (cero absoluto) quedando así
determinado el valor 273K para la temperatura de fusión del hielo y 373K para la de evaporación
del agua. De esta manera el 0 K coincide con –273 ºC.
Para graduar un termómetro, se pone el bulbo dentro de una mezcla de hielo y agua
y se marca en el tubo la altura a que llega el mercurio. Después se coloca en vapor que se
desprende del agua hirviendo y se señala el nuevo nivel. Estas dos marcas determinan los puntos
fijos de las escalas, que se vaya a usar después.
Entre la temperatura de fusión del hielo y la de ebullición del agua, hay un intervalo de
100 grados en las escalas Celsius y Kelvin por eso son centígradas.
2.3.2.1- Relaciones entre unidades:
T(K) = t(ºC) + 273 K
Obsérvese
que
la
temperatura
absoluta se indica con T mayúscula
y por
supuesto su unidad es el Kelvin. La temperatura
medida en Celsius se indica con t minúscula.
Figura 3
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2.4- GASES
Un cuerpo en estado gaseoso se caracteriza por ocupar la totalidad del recipiente
que lo contiene. En este estado las moléculas se mueven a altísimas velocidades. El choque de
éstas con las paredes del recipiente provoca la presión de los gases.
El estado de una masa gaseosa (sistema) queda determinado si se conocen su
presión, su volumen y su temperatura (coordenadas de estado del sistema). Cuando se modifica
el valor de alguna de estas coordenadas se dice que el sistema evoluciona. Si se mantiene
constante la presión, al variar la temperatura se modifica el volumen. Esta evolución se denomina
isobárica).
Si se mantiene el volumen constante, al variar la temperatura se modifica la presión.
(Evolución isócora o isométrica)
Trabajaremos con gases que se acercan a la condición de gas ideal, entendiendo por
tal el que cumple rigurosamente con la ley de Boyle y Mariotte. Esto sucede cuando los gases se
encuentran lejos del punto de cambio de estado.
2.4.1- Ley de Boyle y Mariotte
Si un gas evoluciona a temperatura constante (evolución isotérmica) se encuentra
que al disminuir el volumen la presión aumenta en forma inversamente proporcional, es decir a
menor volumen mayor presión. Esto puede verificarse con una jeringa tapada, a medida que
introduzcamos el émbolo sentimos que el pistón ejerce mayor presión sobre el dedo.
El volumen se reduce al aumentar la presión
Por lo tanto, llamando p a la presión y V al volumen podemos describir al fenómeno en
lenguaje matemático:
p.V = cte
La presión por volumen igual a una constante por lo que para evolucionar de un
estado a otro.
p1.V1 = p2 .V2
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Siendo p1 y V1 los estados iniciales de presión y volumen y p2 y V2 los estados finales.
Al graficar dos ejes cartesianos que representen
presión y volumen (diagrama p-V) una evolución isotérmica se
obtienen una curva llamada hipérbola, típica de la relación
inversamente proporcional. Esta gráfica corresponde a una
masa
de
gas
que
se
encuentra
a
una
temperatura
determinada. Para temperaturas mayores la hipérbola se
alejará del origen de coordenadas.
Tenemos que comprender que los gases ideales no existen, ya que como sabemos, si
enfriamos suficientemente cualquier gas, se licuará. Sin embargo, si el gas se mantiene alejado de
su punto de cambio de estado, se comportará como si fuera ideal. Así, a temperaturas cercanas
a la temperatura ambiente, el oxígeno, el hidrógeno, el nitrógeno etc, se comportarán como
gases ideales, mientras que el vapor de agua no.
2.4.2- Evolución Isobárica
Utilizaremos un cilindro con émbolo que se desliza con rozamiento despreciable
(figura 4). Este libre desplazamiento permitirá que se produzcan variaciones de volúmenes
generadas por variaciones de temperatura. Las indicaciones del manómetro señalarán si la
evolución es a presión constante, lo que deberá ser así pues, la fuerza que se aplica sobre el pistón
es constante y por lo tanto la presión también.
Figura 4: Se calienta el gas a presión
constante pues la fuerza que actúa sobre el
pistón es constante
Experimentalmente se comprueba que a presión constante el volumen de una
masa de gas es directamente proporcional a la temperatura absoluta (es decir medida en grados
Kelvin).
V
= cte
T
⇒
V1 V2
=
T1 T2
2.4.3- Evolución Isócora
Si se cierra un gas en un recinto hermético que posee un manómetro podrá
comprobarse que un aumento de temperatura implica un aumento de presión.
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Figura 5: Al calentarse el gas y no poder
aumentar el volumen del recipiente
comenzará a aumentar la presión
Experimentalmente se comprueba que a volumen constante la presión de una
masa de gas es directamente proporcional a la temperatura absoluta.
p
= cte
T
⇒
p1 p2
=
T1
T2
Estas conclusiones se conocen con el nombre de LEYES DE GAY LOUSSAC Y CHARLES.
2.4.4- ECUACIÓN GENERAL DE ESTADO DEL GAS IDEAL
¿Existirá alguna ley general que relacione las tres variables de estado?
La respuesta es afirmativa, tal relación existe y puede deducirse. Consideremos
para ello dos evoluciones sucesivas de una misma masa gaseosa.
Primero calentaremos lentamente el gas ideal contenido en el cilindro de la figura
y haciendo que una fuerza constante actúe sobre el pistón de manera que la presión
permanezca constante. El pistón que se desliza con rozamiento despreciable, se desplaza y el
volumen del gas aumenta. (Evolución isobárica )
Luego de llegar al estado (2), se deja de calentar el gas y el sistema se pone en
equilibrio. Ahora se aumenta lentamente la fuerza aplicada sobre el pistón de manera que el gas
se comprima sin variar su temperatura (evolución isotérmica ).
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Del estado (1) al estado (2) siendo la evolución isobárica, se puede escribir según la
primera ley de Gay Loussac:
V0 V1
=
T0
T
(1)
Y del estado (2) al estado (3), la evolución es isotérmica, por lo tanto, según la
ley de Boyle:
V1 . p0 = V . p
(2)
Si despejamos V1 de las ecuaciones (1) y (2) e igualamos:
V . p T . V0
=
p0
T0
Agrupando nos queda la denominada ecuación general de estado de los gases
ideales:
p . V p0 .V0
=
T
T0
También podemos escribirla así:
p1 . V1 p2 .V2
=
T1
T2
¿Por qué vuelan los globos aerostáticos?
Cuando el quemador que poseen los globos calienta el
aire en su interior, aumenta la energía cinética molecular de manera
que, al tener mayor velocidad, el número de choques
contra las
paredes del globo aumenta, y por lo tanto la presión. Para que la
presión en el interior del globo se equilibre con la atmosférica, la masa
de aire dentro del globo debe disminuir y por eso parte del aire sale del
globo por el orificio inferior. De esta manera la densidad del aire en el
interior se hace menor
que en el exterior y el globo flota en la
atmósfera de la misma manera que un corcho flota en el agua.
2.4.4.1 Ejemplo:
Un recipiente contiene 0.36 m3 de oxígeno a una presión de 300 kPa ¿Cuál
será su volumen si la presión aumenta a 2700 kPa y la temperatura se mantiene constante.
Solución
Extraemos los datos del problema:
V1= 0,36 m3
;
p1=300 kPa
;
p2= 2700 kPa
Aplicamos la ley de Boyle y despejamos el volumen en el segundo estado:
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p1.V1 = p2 .V2
V2 =
p1.V1 300 KPa ⋅ 0,36 m3
=
= 0,04m3
p2
2700 KPa
Si lo pasamos a litros nos queda:
V2 = 0,04m3 = 40dm3 = 40litros
2.4.4.2 Ejemplo :
Un recipiente contiene 8 litros de aire a una presión de 100 KPa y 17 ºC ¿Cuál será la
presión del gas si se lo pasa a otro recipiente de 24 litros pero su temperatura aumenta hasta
127ºC.
Solución
Extraemos los datos del problema y pasamos todas las unidades a S.I.:
V1= 8 litros = 8 dm3 = 0,008 m3
p1=100 kPa
t1 = 17 ºC → T1 = (17+273) K = 290 K
V2= 24 litros = 24 dm3 = 0,024 m3
T2 = 127 ºC → T2 = (127+273) K = 400 K
Aplicamos ahora la ecuación general de los gases y despejamos p2
p1 ⋅ V1 p2 ⋅ V2
p ⋅ V1 ⋅ T2
=
⇒ p2 . = 1
T1
T2
T1 ⋅ V2
p2 . =
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p1 ⋅ V1 ⋅ T2 100kPa ⋅ 0,008m3 ⋅ 400K
=
≅ 46kPa
T1 ⋅ V2
290K ⋅ 0,024m3
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2.5- La atmósfera de la tierra
Aunque no nos demos cuenta, en la superficie de la tierra estamos sumergidos en un
gran mar de aire. El aire es un gas, el más común en la tierra; por lo tanto es materia y pesa; claro
que su densidad es muy pequeña comparada con la de los sólidos o líquidos, un litro de aire tiene
una masa de 1,29 g.
El aire, en realidad, es una mezcla de gases bien conocidos. Contiene un 77% de
nitrógeno, 21% de oxígeno y 1% de argón. El 1% que resta, comprende pequeñas cantidades de
gases tales como: dióxido de carbono, hidrógeno, neón, criptón, helio, ozono y xenón.
La máxima densidad de la atmósfera se encuentra a nivel del mar, y se extiende hacia
arriba hasta alturas que van desde 80 Km hasta varios cientos de kilómetros. A medida que se
sube, el aire se va haciendo cada vez mas tenue y finalmente se diluye en el espacio interestelar.
El
50%
de
la
atmósfera
se
encuentra por debajo de los 5,5 km. de altura
y el 99% está comprendida en 90 km.
Como la mayoría de lo humanos
vivimos
cerca
del
nivel
del
mar,
nos
encontramos sometidos continuamente a una
enorme presión, debida al peso del aire que se
encuentra sobre nosotros. Aunque parezca
increíble,
el
aire
ejerce
aproximadamente
una
101,3
presión
de
KPa.
Aproximadamente el peso de un kilogramo de
masa en cada cm2 de superficie.
La presión atmosférica es el peso
de una columna de aire de 1 cm2 de sección
transversal y una altura que llega desde el nivel
del mar hasta las últimas capas de la
atmósfera.
2.5.1- Medición de la presión atmosférica
Cuenta la historia que el gran Duque de Toscana era un amante de las plantas y por
esa razón tenía enormes jardines en el palacio. Fue precisamente por ampliar el sistema de riego,
que mando construir grandes pozos de los que, mediante bombas, pensaba extraer agua desde
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15 m de profundidad. Pero ante el asombro de los constructores, las bombas no lograban extraer
el agua y aunque las máquinas trabajaban correctamente, el líquido no subía más de 8 ó 9 m.
Buscando una explicación al problema el Duque hizo llamar a "Galileo", quien estudió
el problema pero no pudo hallar la solución. Fue Evangelista Torricelli (1608-1647), uno de los
discípulos de Galileo, quien dio con la clave.
Según Aristóteles (Siglo IV, a.C.), la naturaleza tenía "horror" al vacío y por esta razón
era imposible producirlo, pues la naturaleza se encargaba de llenarlo, por ésta causa, el agua
subía en las bombas, como si tuviera voluntad.
Torricelli pensó que todo eso era falso. Decía: "sabemos que el aire pesa, la atmósfera,
por alta que sea, debe tener un límite y el total de la atmósfera debe tener un peso, que ejerce
presión sobre la tierra. Esta presión podrá levantar el agua hasta un cierto nivel, no más, y ese nivel
debe ser aproximadamente 10 m, de acuerdo con lo que sucede con los pozos de Florencia".
Para verificar su teoría Torricelli diseñó un famoso experimento que le permitió:
1- Demostrar la existencia de la presión atmosférica.
2- Medir su valor.
3- Demostrar que el vacío era posible.
El experimento consiste en llenar un tubo de vidrio de 1 m de largo, que está cerrado por uno de
sus extremos, con mercurio. Luego, tapando el extremo abierto con un dedo, se invierte y se
sumerge (dicho extremo) en un recipiente con mercurio. Al quitar el dedo, la columna de
mercurio desciende violentamente y vuelve a subir hasta alcanzar el equilibrio a una altura de 76
cm (valor normal). Por lo tanto:
1- Existe una presión que sostiene la columna de mercurio
en 76 cm y que se denomina: "Presión atmosférica"
2- Esta presión debe ser igual que la presión ejercida por el
peso de la columna de mercurio pues la pone en equilibrio
3- El vacío existe, pues como en el tubo no ingresó aire y
ninguna otra sustancia, en la parte superior del tubo debe haber vacío.
4- Al valor de la presión normal se lo llama una atmósfera,
también se dice que es 760 mmHg. Se lo indica con la letra H.
Pero en S.I. es de H= 101,3 kPa=1013 hPa (hectoPascal)
Barómetro de Torricelli
A éste dispositivo se lo denomina barómetro de Torricelli y se lo utiliza hasta el día de
hoy para medir la presión atmosférica.
Blas Pascal demostró que, cuando se lleva un barómetro de mercurio a una gran
altura, como la cumbre de una montaña, la altura de la columna de mercurio baja
considerablemente, debido a que la presión atmosférica disminuye pues queda menos aire entre
nosotros y la última capa de la atmósfera.
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2.5.2- Los hemisferios de Magdeburgo
En 1654 un filósofo, abogado, físico y magistrado alemán llamado Otto Von Guernicke,
efectuó en presencia del emperador Fernando III, en Regensburgo, el famoso experimento de los
"hemisferios de magdeburgo". Se juntaron dos hemisferios de cobre de unos 60 cm de diámetro,
para formar una esfera. Se puso entre ellos un anillo de cuero empapado en aceite y cera para
que formara un cierre hermético. Después que se hizo vacío dentro de la esfera, con la bomba de
vacío que el mismo Guernicke había inventado, tiraron ocho caballos por lado, en sentidos
opuestos de los hemisferios sin lograr separarlos. No es de admirar que esto sucediera, ya que la
fuerza necesaria para separarlos, que se puede calcular fácilmente, llega a unas tres toneladas.
Cabe señalar que el experimento fue consecuencia de una apuesta que dejó
suculentas ganancias a Don Otto.
2.5.3- La conquista de la atmósfera
Los hermanos Montgolfier inventaron en 1782 el primer globo que ascendió por los
aires. El sistema es el mismo que hoy se emplea en épocas de Navidad y año nuevo: hacer fuego
en una barquilla, y calentar el aire que va dentro del globo. El aire se dilata y parte sale al exterior,
quedando en el interior una cantidad menor. El globo de los Montgolfier alcanzó una altura de
500 m, causando gran admiración en la gente que presenciaba el sensacional experimento.
Al año siguiente, se hizo la primera ascensión con seres vivientes, que eran...un gallo,
un pato y una oveja. En noviembre de 1783 se realizó la primera ascensión con un ser humano.
Rápidamente se fueron perfeccionando los aeróstatos, y en los primeros años del siglo pasado se
efectuaron ascensiones hasta cerca de 10.000 m. En algunas de ellas los navegantes murieron por
asfixia.
Los dirigibles aparecieron a fines del siglo pasado, y en esos mismos años se alcanza
una altura de 18.500 m con un globo portador de aparatos registradores, que anotaron una
temperatura de 60 grados bajo cero.
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2.6- Actividades
2.6.1- Teoría atómica de la materia
2.6.1.1- ¿Qué diferencia pueden establecer entre átomos y moléculas?
2.6.1.2- ¿A qué se llama elemento?
2.6.1.3- ¿Es lo mismo la masa atómica que el número atómico? Justifiquen la respuesta.
2.6.1.4- Utilizando la tabla que se encuentra al inicio de éste capítulo, Indiquen la cantidad de
neutrones que tienen los siguientes elementos: H , He , N
, O , Pb , Au. (Confeccione una
tabla donde una columna sea el nombre del elemento, otra el símbolo, otra el número atómico.
una más para la masa atómica y por último el número de neutrones)
2.6.1.5- Entre en el sito web del siguiente link y viendo el video explique por qué el dibujo del
átomo que vimos en este capítulo se tuvo que dibujar fuera de escala.
http://www.youtube.com/watch?v=BhPWsH9rnHw&feature=player_embedded
2.6.2- Estados de la materia
2.6.2.1- Dé algún ejemplo en el que la naturaleza se encarga de transformar la materia en sus tres
estados.
2.6.2.2- Generalmente los cambios de estado los asociamos al cambio de temperatura, ¿Cuál es
la otra variable que participa de este proceso?
2.6.3- Temperatura:
2.6.3.1- ¿Todos los termómetros darán el mismo resultado cuando se trata de medir la temperatura
de un mismo cuerpo?
2.6.3.2- ¿Por qué razón se utilizará un tubo capilar para hacer un termómetro?
2.6.3.3- ¿Qué es el equilibrio térmico?
2.6.3.4- ¿Un termómetro de mercurio puede medir cualquier temperatura si se lo fabrica
adecuadamente?
2.6.3.5- Un termómetro centígrado muestra una temperatura de 75ºC. ¿Cuál debe ser la lectura
Kelvin en el mismo lugar?
2.6.3.6- ¿Completar en la siguiente tabla qué valor de temperatura Kelvin equivale a cada una de
las temperaturas Celsius
87ºC
129ºC
358ºC
-42ºC
-225ºC
2.6.3.7- ¿Completar en la siguiente tabla qué valor de temperatura Celsius equivale a cada una
de las temperaturas Kelvin
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53K
5K
420K
852K
2.6.3.8- Se coloca un termómetro en el espacio vacío entre la Tierra y el Sol, ¿La temperatura de
qué cosa indica dicho termómetro? Justificar la respuesta.
Ver resultados
2.6.4- Gases
2.6.4.1- Representar en un gráfico de ejes cartesianos donde p sea el eje de ordenadas y V el de
abscisas (diagrama pV) una evolución isobárica, otra isotérmica y otra isométrica.
2.6.4.2- Un gas ocupa 0,15 m3 a 22ºC y 101,3 KPa de presión. Calcular el volumen que ocupará a:
a- 47 ºC y 101,3 KPa.
b- 2 ºC y 607,8 KPa.
c- 62ºC y 607,8 KPa.
2.6.4.3- Contestar si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas y justificar la respuesta:
Afirmaciones
VoF
a- El volumen de un gas no depende del recipiente que lo contiene.
b- No todos los gases se comportan como ideales.
c- Una evolución a presión constante es isobárica.
d- Los líquidos también cumplen con la ley de Boyle y Mariotte.
e- El oxígeno en determinadas condiciones se comporta como gas ideal.
f- Una evolución isotérmica se produce a volumen constante.
2.6.4.4- En un recipiente se tienen 1,64 m3 de un gas ideal a 47 ºC y una presión de 101,3 KPa. Si el
gas se expande hasta ocupar un volumen de 2,2 m3
y la presión se reduce a 81,04 KPa,
determinar: La temperatura final del sistema.
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2.6.4.5- En un recipiente se tienen 0,4 m3 de oxígeno a 100 ºC y una presión de 101.3 kPa. Si el gas
se expande hasta ocupar un volumen de 0,5 m3 y la presión aumenta a 152 kPa., determinar: La
temperatura final del sistema.
2.6.4.6- Un gas ocupa un volumen de 1 m3 a una presión de 202,6 KPa. y a una temperatura de
20ºC. Calcular el volumen que tendrá si la presión disminuye a 101,3 KPa. y la temperatura se eleva
a 97ºC.
2.6.4.7- Un gas ejerce una presión de 101,3 KPa cuando su volumen es de 5,6 m3 y su temperatura
de 27 ºC. Calcular la presión que ejercería si su volumen se redujese a 4,2 m3 y la temperatura
aumentara a 87ºC.
Ver resultados
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2.7- Trabajo Práctico Experimental Nº 3: Gases.
2.7.1- Objetivos:
a- Verificar que, si se mantiene el volumen constante,
la presión de un gas es
directamente proporcional a la temperatura absoluta (Ley de Gay Loussac).
b- Verificar que, si se mantiene la temperatura constante, la presión de un gas es
inversamente proporcional al volumen que ocupa (Ley de Boyle).
c- Utilizar los sensores de presión y temperatura, el programa Logger-pro y el programa
Excel para la obtención y procesamiento de datos experimentales.
2.7.2- Desarrollo:
2.7.2.1- Relación entre presión y temperatura:
Disposición de los elementos:
Se prepara un erlemeyer con un tapón de goma que tiene colocado una salida para manguera.
Se monta en un soporte universal Junto con el sensor de temperatura. Se sumerge el erlenmeyer
en un vaso de precipitado que se encuentra sobre un mechero y se ubica el sensor de
temperatura dentro del agua.
Habrá que esperar algunos minutos hasta que el aire en el interior del recipiente alcance el
equilibrio térmico con el agua. Una vez que se logró esta situación se conectan: la manguera al
sensor de presión y los sensores a la internase.
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Para la puesta a punto del programa:
Se preparará el programa Logger-pro para efectuar la medición. Al conectar los sensores a la
interfase y ésta a la computadora, automáticamente el programa los reconoce. En la pantalla
aparecen las leyendas Temperatura= ; Pressure=.
Al accionar el puntero en el icono con el reloj se abrirá el cuadro siguiente:
Habrá que configurar los parámetros para que
mida durante una hora tomando 60 muestras.
Una vez ajustado se presionará “Done”
Luego se calibrará la presión inicial del aire que
esta contenido en el erlenmeyer que no es otra
que la presión atmosférica ya que se encuentra
inicialmente abierto. Para esto se verá en
Internet cuál es la presión atmosférica en el
momento de realizar el experimento y se
procederá de la siguiente manera:
Se pulsará con el Mouse sobre la barra del
programa que dice temperature
Luego se presionará sobre “gas pressure sensor”
y allí se presiona “calibrate”, como indica la
imagen inferior.
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Por ultimo se presiona “Calibrate Now” y se ingresa el valor de presión atmosférica obtenido para
ese día.
De la misma manera para el sensor de temperatura se calibra la unidad de temperatura en kelvin.
Para la toma de datos se procederá de la siguiente manera:
Se enciende el mechero que calentará el aire a través del agua aproximadamente hasta 80ºC
(353ºK). A continuación se apaga el mechero y se espera que la temperatura comience a
descender.
Al presionar el botón play
el programa comenzará a registrar las mediciones.
Se medirá la presión y la temperatura durante 30 minutos a razón de una muestra cada 30
segundos.
Para finalizar la toma de datos se presionará el botón de Stop.
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Para el análisis de datos se procederá de la siguiente manera:
Se copiarán los datos de temperatura y presión de la tabla generada por el Logger-pro y se
pegarán en una planilla de Excel.
Se graficará presión en función de temperatura.
¿Qué tipo de gráfico se obtuvo? ¿Por qué? ¿Puede aproximar alguna función? Si pueden,
háganlo.
Cada equipo deberá analizar estas cuestiones y sacar sus conclusiones.
2.7.2.2- Relación entre presión y volumen:
Disposición de los elementos:
Se prepara una jeringa con una manguera.
Observando la graduación de volumen que tiene la jeringa, se ubica el pistón en la máxima
graduación de manera que luego se pueda ir reduciendo el volumen.
Se conecta el pico de la jeringa con el sensor de presión y luego se calibra el sensor a la presión
atmosférica de la misma manera que se hizo en el experimento anterior. En este caso, en lugar de
utilizar una base de tiempo, se indicará al programa que se seleccionará manualmente cada
medición.
Se preparará una tabla en Excel indicando en una columna los volúmenes en que se situará el
pistón para medir la correspondiente presión.
Se toma la primera medición que será la de la presión atmosférica y luego, se irá reduciendo el
volumen hasta los valores elegidos y en cada uno de ellos se tomara un registro de presión.
Para el análisis de datos se procederá de la siguiente manera:
Se copiarán los datos de presión de la tabla generada por el Logger-pro y se pegarán en una
planilla de Excel que se preparó con los valores de los volúmenes.
Se graficará presión en función de Volumen.
¿Qué tipo de gráfico se obtuvo? ¿Por qué? ¿Puede aproximar alguna función? Si pueden,
háganlo.
Cada equipo deberá analizar estas cuestiones y sacar nuevamente conclusiones.
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2.8- Trabajo práctico experimental Nº 4:
PRESIÓN ATMOSFÉRICA
2.8.1- Objetivos:
a- Observar y explicar los efectos de la presión atmosférica para verificar su existencia.
b- Comprender el funcionamiento de un barómetro de mercurio
c- Medir la presión atmosférica.
2.8.2- Desarrollo:
2.8.2.1- Experimento Nº 1:
1- Tomen un tubo de ensayo y colóquenle agua hasta la mitad. Con un pequeño trozo de papel
tapen el tubo por su boca. Sosteniendo el papel invierta el tubo según muestra la figura y luego
suelten el papel.
Anote lo sucedido
2.8.2.2- Experimento Nº 2:
Tomen un matraz y pongan un poco de agua en su interior (muy poco). Colóquenle un tapón con
un tubo de vidrio como indica la figura:
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Aseguren el matraz con una pinza y preparen otro recipiente lleno de agua, como indica la figura.
Enciendan un mechero y calienten el agua contenida en el matraz hasta que hierva (observen
que salga vapor por la boca del tubo).
A continuación inviertan el matraz colocando el tubo dentro del recipiente con agua, como
indica la figura. (No se queme)
Sostengan firmemente la pinza y aguarden unos instantes. Observen lo que sucede y anótenlo
(detalladamente)
2.8.2.3- Experimento Nº 3
Tomen un cristalizador y colóquele un poco de agua en su interior, luego coloquen en el centro
una vela como indica la figura.
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Enciendan la vela y cúbrala con un vaso como indica la figura.
Observen y anote lo que sucede
Repitan los experimentos todas las veces que sea necesario, observe y anote todos los detalles.
2.8.2.4- Pensemos un poco:
a- ¿Quién puede haber causado los efectos vistos?______________________________________
b- Si el agua sube es porque alguien la "empuja". ¿Quién? ¿Por qué?
2.8.2.5- Experimento Nº 4: El vacío
Coloquen un globo apenas inflado dentro de la campana de vacío y enciendan la bomba.
Anoten lo que sucede:
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2.8.2.6- Experimento Nº 5:
Coloquen un vaso de precipitado con un poco de agua dentro de la campana de vacío y
enciendan la bomba. Anoten lo que observan:
2.8.2.7- Experimento Nº 6: BARÓMETRO DE TORRICELLI
Llenen un tubo de ensayos por completo con agua y tapando la boca con el dedo introdúzcalo
en un recipiente con agua como indica la figura.
¿Baja el nivel de agua en el tubo?_____________________
¿Por qué no sale el agua del tubo?_____________________________________________________________
¿Qué explicación daban los Aristotélicos y qué explicación dio Torricelli?
Experimento de Torricelli:
Debido a que el mercurio es tóxico este experimento lo hará el profesor con la ayuda de algunos
alumnos.
Tomen un tubo de aproximadamente 1 m cerrado por un extremo. Utilizando una jeringa llénenlo
totalmente con mercurio. Tengan cuidado, inclinen el tubo, no lo ponga en forma vertical de
modo que al introducir el mercurio en él, no golpee demasiado fuerte contra el fondo pues podría
desfondarlo.
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Vuelquen un poco de mercurio en una cubeta y tapando la boca del tubo con el dedo,
inviértanlo sumergiéndolo en ella como muestra la figura.
Manteniendo la boca del tubo sumergida, sequen el dedo.
Describan a continuación lo que sucede:
Midan la altura de la columna de mercurio desde la superficie de líquido en la cubeta hasta el
menisco en el tubo y anoten el valor: __________________________________________________________
Esta medida en cm multiplicada por 1,3328 nos dará el valor de la presión atmosférica en hPa.
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Respuestas
2.6.1.4- 1 ; 2 ; 7 ; 8 ; 118 ; 125
2.6.3.5- 348 K
2.6.3.6-
360K ; 402K ; 631K ; 231K ; 48K
2.6.3.7-
-118 ºC ; -220 ºC ; -268 ºC ; 147 ºC ; 579ºC
2.6.4.1
2.6.4.2-
Aproximadamente a- 0,163 m3
b- 0,023 m3
c- 0,0284 m3
2.6.4.3a
F
b
V
c
V
d
F
e
V
f
F
2.6.4.4- Aproximadamente 343,4 K
2.6.4.5- Aproximadamente 700K
2.6.4.6- Aproximadamente 2,53 m3
2.6.4.7- Aproximadamente 162 kPa
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