Teoría Cinética de la Materia

En este vídeo se puede observar una introducción al mundo de la Teoría Cinética de la Materia:

Todo material que vemos está formado por partículas muy pequeñas llamadas moléculas. Estas moléculas están en movimiento continuo y se encuentran unidas por la fuerza de cohesión que existe entre moléculas de una misma materia. Entre una y otra hay un espacio vacío, ya que están en continuo movimiento.

Cuando las moléculas están muy juntas y se mueven en una posición fija, las fuerzas de cohesión son muy grandes. Es el estado sólido de la materia. En cambio cuando están algo más separadas y la fuerza de cohesión es menor, lo que les permite cambiar de posición libremente de forma independiente, estamos en presencia de un líquido.

En el estado gaseoso, las moléculas están totalmente separadas unas de otras y se mueven libremente. Aquí no existe fuerza de cohesión.

La energía de la materia, su fuerza de cohesión y el movimiento de las moléculas dependen de la temperatura. Es por eso que podemos lograr pasar una materia del estado líquido al gaseoso y del sólido al líquido, si aplicamos la cantidad de energía necesaria en forma de temperatura.

Esta teoría también describe el comportamiento y las propiedades de los gases. Todos los gases están formados por moléculas que se encuentran en movimiento continuo. Es un movimiento rápido, rectilíneo y aleatorio. Las moléculas de los gases están muy separadas entre sí y no ejercen fuerzas sobre otras moléculas, a excepción de cuando se produce una colisión.

Las propiedades de los gases se describen en términos de presión, volumen, temperatura y número de moléculas. Estos son los parámetros que se usan para definir a los gases.

Postulados de la Teoría Cinética de la Materia

1. La materia se compone de partículas muy pequeñas, se trasladan con movimiento rectilíneo y obedecen a las leyes de Newton.
   
2. Estas partículas tienen energía cinética y por lo tanto están moviéndose continuamente.
   
3. Al aumentar la temperatura, la energía cinética de las partículas aumenta.
   
4. Cuando dos partículas chocan se transfiere energía de una a otra sin que haya un cambio neto en la energía del sistema. 
   
5. Las partículas pueden tener energía potencial debido a atracciones o repulsiones entre ellas. 
   

Presión y temperatura

Al hablar de la Teoría Cinética de la Materia tenemos que considerar dos conceptos, el primero de ellos es Presión  y el segundo Temperatura. En está entrada encontraran información acerca de dichos conceptos y como estos se aplican a y dicha teoría. 

La Temperatura es una propiedad de la materia que está relacionada con la distribución de la energía calorífica entre la materia de un cuerpo. Normalmente la temperatura mide la energía cinética media de las partículas:

• A mayor energía cinética media (mayor movimiento de las partículas) mayor choque entre ellas , mayor temperatura.
• A menor energía cinética media (menor movimiento de las partículas) habrá menos choques entre ellas, menor temperatura.   

La presión que ejerce un gas sobre las paredes del recipiente que lo contiene son debidas a los choques que tienen lugar entre las partículas del gas y dichas paredes. La variación de la presión de un gas encerrado en un recipiente puede tener lugar por alguna de estas razones:

1.  Por una variación de la temperatura manteniendo constante el volumen del recipiente que contiene el gas:
     Un aumento de la temperatura aumenta la energía cinética media de las partículas, lo que provoca una mayor velocidad de las mismas y una mayor intensidad en los choques contra las paredes: aumenta la presión del recipiente que contiene el gas.
    
    Un enfriamiento disminuirá la energía cinética media y las partículas chocaran con menos intensidad contra las paredes: disminuye la presión contra las paredes que del recipiente que contiene el gas.

       

·  

2. Por una variación del volumen que contiene el gas manteniendo constante la       temperatura:

     Si disminuye el volumen, las partículas se concentran y chocan con más frecuencia         contra las paredes del recipiente que las contiene: aumenta la presión sobre las             paredes del recipiente.      

       Si aumenta el volumen, las partículas se separan, tienen más volumen donde moverse   y habrá menos partículas que choquen con las paredes del recipiente que contiene el     gas: disminuye la presión del recipiente.

Es una propiedad que exhiben todos los gases confinados a un recipiente 

 Presión= P = F/A= Fuerza/ Área

 Se puede medir la presión que ejerce un gas en el interior de un globo.

       

                

                

En el siguiente vídeo se explica cómo la  presión y temperatura se relacionan con en volumen y con diversas leyes aplicadas a 3 estados de la materia. 

Movimiento Browniano

En 1827 un famoso botánico llamado Robert Brown observó que, cuando   suspendía unos pequeños granos de polen en agua, estos presentaban un movimiento irregular. Este fenómeno fue llamado Movimiento Browniano en honor a su trabajo pionero. Brown demostró que el movimiento estaba presente en cualquier suspensión de partículas finas de vidrio y minerales, por lo que descartó cualquier origen orgánico de este movimiento.

                   

 El problema del movimiento Browniano no fue resuelto hasta que Einstein en 1905 dio una explicación satisfactoria. Otra explicación alternativa la dio independientemente Smoluchowski .

Los dos puntos principales en la explicación de Einstein al problema del movimiento Browniano son:

•  El movimiento es causado por los impactos frecuentes en el grano de polen de las moléculas del líquido, las cuales están en un movimiento incesante.
•   El movimiento de estas moléculas es tan complicado, que su efecto en el grano de polen puede describirse sólo probabilísticamente, en términos de los impactos frecuentes estadísticamente independientes. 

 La explicación de Einstein puede ser considerada para propósitos prácticos, como el primer modelo estocástico de un fenómeno natural. De los resultados de Einstein sobre la constante de difusión del movimiento Browniano, Perrin, un físico francés, determiné el número de Avogadro.

• Como complemento a lo antes descrito dejamos este vídeo.

                                    

¿Qué pasa con los gases?

El comportamiento de los gases ha sido explicado a partir de diferentes leyes, las cuales se relacionan con el siguiente mapa conceptual.

Leyes de los gases

La materia esta formada por partículas muy pequeñas que están en continuo movimiento y la velocidad varia según su estado físico.

• Los gases tienen una mayor separación entre átomos o moléculas que los sólidos o líquidos. por lo que prácticamente dichas moléculas no cuentan con una fuerza de cohesión.

• El volumen de el gas dependerá de la presión que se ejerza sobre el.

• La forma de el gas la dará el recipiente debido a la separación entre sus partículas.

Ley de Boyle 

Esta ley nos habla sobre la presión y volumen de un gas como están relacionados.

El volumen de un gas a una temperatura constante es inversamente proporcional a la presión ejercida sobre dicho gas. Es decir cuando la presión aumenta en un gas con una temperatura constante su volumen disminuirá 

Expresión matemática:

Donde P equivale a la presión, V al volumen y K equivale a la constante.

 También puede representarse como:

http://www.youtube.com/watch?v=xQcP9Shxfps

Ley de Gay Lussac

Esta ley nos habla de la relación entre temperatura y presión con un volumen constante. 

La temperatura del gas es directamente proporcional a la presión ejercida manteniendo un volumen constante .Es decir si aumenta la temperatura (teniendo un volumen constante ) la presión también aumentara.

Expresión matemática:

También puede expresarse como:

http://www.youtube.com/watch?v=ix1HUGSvUo4

Ley de Charles

Esta ley nos habla de la relación entre temperatura y volumen cuando su presión es constante 

La temperatura es directamente proporcional al volumen.Es decir si aumenta la temperatura de un gas (con una presión constante) el volumen también aumentara y viceversa

Expresión matemática:

También puede expresarse como:

http://www.youtube.com/watch?v=lpOL6NYmTU8

Ley de los gases ideales

Esta ley indica que la presión , el volumen y el numero de molécula están relacionadas con su velocidad molecular promedio.

La presión de el gas se debe al choque delas moléculas dentro de el cilindro

Expresión matemática:

Donde :

Ley general de los gases

Con base en las leyes de Boyle , Charles y Gay Lussac, se estudia la dependencia existente entre dos propiedades de los gases conservándose las de mas constantes. No obstante, se debe buscar una relación real que involucre los cambios de presión, volumen y temperatura sufridos por un gas en cualquier proceso en que se encuentre.

Esto se logra mediante la expresión:

 

 La relación anterior recibe el nombre de Ley General Del Estado Gaseoso y resulta de gran utilidad cuando se desea conocer alguna de las variables involucradas como la presión, el volumen o la temperatura de una masa dada de un gas del cual se conoces los datos de su estado inicial y se desconoce alguno de ellos en estado final. Por lo tanto: La Ley General del Estado Gaseoso establece que para una masa dada de un gas      siempre será constante.

En el siguiente vídeo se hablará sobre las leyes de los gases, esperando que les sirva como un complemento de lo publicado anteriormente.

¿Cómo arreglar una pelota?

El siguiente vídeo es una práctica que demuestra la Teoría Cinética de los Gases:

Materiales:

• Una pelota abollada
• Pinzas
• Parrilla (Fuego)
• Recipiente con agua caliente

Procedimiento: 
Metemos la pelota abollada en el recipiente con el agua caliente y movemos la pelota con las pinzas.
Vemos que en segundos la pelota cobra su forma original.

Resultados: 

Conclusiones:
Colocando la pelota abollada en la superficie del agua se calienta el aire atrapado en el interior de la pelota. Según la Teoría Cinética de los Gases, el aumento de temperatura del aire atrapado en la pelota produce un aumento de la presión interna. Finalmente, la presión interna hace que la pelota recupere su forma original. No obstante, es complicado obtener una esfera perfecta.

Bibliografía

• Pérez Montiel Hector, Física General, Patria, México, 2008, página. 360- 361.
• Levine Ira, FísicoQuímica, Mc Graw Hill, España, 2004, página. 572.
• Meiser John, FísicoQuímica, Cecsa, México, 2005, página. 10-13. 
• A. Maoure Thomas, Física 6 Ideas Fundamentales, Mc Graw Hill, tomo I, página 572-581.
•  Gautreau Ronald, Savin William, Física Moderna, Mc Graw Hill, México, 2001, página 304-312.

http://www.educa2.madrid.org/web/educamadrid/principal/files/edb6467c-dc36-42e4-a245-9409477b5a81/Apliaciones_Didacticas/materia_cinetica/teora_cintica_de_la_materia.html

http://www.educaplus.org/gases/ley_boyle.html

http://portal.perueduca.edu.pe/modulos/m_termodinamica1.0/leydecharles.htm

http://bidi.unam.mx/libroe_2007/motores/A05.pdf

http://www.ojocientifico.com/2011/05/16/teoria-cinetica-molecular

http://fq-experimentos.blogspot.mx/2011/02/153-arreglar-una-pelota-de-ping-pong.html