Postulados de la teoria cinética de la materia.

Antes hay que definir a la materia.
La materia es todo aquello que ocupa un lugar en el espacio formada por pequeñas partículas que se mueven en todas direcciones incluso cuando están en reposo, por lo tanto tienen energía y una fuerza de atracción o repulsión. (Energía Cinética y Energía Potencial).

• Cuando la Ep de un cuerpo es pequeña comparada con la Ec se está hablando del estado de agregación solido. 

Ep = energía de cohesión. 

• Cuando la Ec y Ep son casi iguales se habla del estado de agregación líquido.

• Cuando las moléculas caminan más rápido Ep es muy pequeña comparada con la Ec.

La imagen muestra la fuerza de cohesión de las moléculas

y el espacio intermolecular.

POSTULADOS DE LA TEORÍA CINÉTICA DE LA MATERIA

1. Toda la materia está constituida por pequeñas partículas llamadas moléculas.

Las propiedades químicas de las moléculas dependen de su composición, mientras que las propiedades físicas dependen de las fuerzas que las moléculas ejercen entre sí y de la distancia que las separa.

2. Las moléculas se encuentran en continuo movimiento. El promedio de la energía cinética de las moléculas depende de la temperatura.
3. Las moléculas obedecen las leyes del movimiento de Newton. En los choques entre las moléculas, su momento lineal y su energía cinética no cambian. Dichos choques son elásticos.

PARA LOS GASES:

4. La distancia entre las moléculas es muy grande comparada con sus dimensiones. Debido a ellos, las fuerzas intermoleculares son despreciables.
5. Las colisiones entre moléculas y con las paredes del recipiente son elásticas.

PARA LOS LIQUIDOS:

6. La distancia entre moléculas es pequeña, pero estas no ocupan posiciones definidas. Existen fuerzas intermoleculares de atracción que son responsables de la estructura de los líquidos.

PARA LOS SOLIDOS:

7. Las moléculas se encuentran también cercanas entre sí. Las fuerzas de atracción frecuentemente originan arreglos ordenados. Los movimientos moleculares están sumamente restringidos, y consisten primordialmente en vibraciones alrededor de puntos fijos.

LA QUIMICA EN LA SALUD. QUEMADURAS POR VAPOR.

El agua caliente a 100 °C causará quemaduras y daño a la piel si 25g de agua caliente a 100 °C caen sobre la piel de una persona, la temperatura del agua descenderá a la temperatura corporal, 37 °C. El calor liberado puede causar quemaduras graves. Esta cantidad de calor puede calcularse a partir del cambio de temperatura: 100 °C – 37 °C = 63 °C.  (25g)(63 °C)( 4.184 J / g °C) = 6 600 J. Sin embargo es todavía más peligroso que sea vapor lo que entre en contacto con la piel. La condensación de la misma cantidad de vapor a líquido, a 100 °C, libera mucho más calor: casi 10 veces más. Para calcularse esta cantidad de calor se usa el calor de vaporización, que es de 2 260 J/ g para el agua. (25g)( 2260 J / 1g)= 57 000 J. Cuando se combina la cantidad de calor liberado de la condensación y el enfriamiento del agua de 100 °C a 37 °C, se ve que la mayor parte del calor proviene de la condensación del vapor. Esta gran cantidad de calor liberado sobre la piel es lo que causa lesiones por quemaduras de vapor.  Condensación (100 °C) = 57 000 J  Enfriamiento ( 100 °C a 37 °C) = 6 600 J Calor liberado = 64 000 J (redondeado) *Cuando el vapor se condensa se libera una gran cantidad de vapor.

QUIMICA general, orgánica y biológica, Timberlake Karen C. , Cuarta edición 2013, Ed. Pearson.

Presión y temperatura.

Temperatura

La temperatura es una medida del calor o energía térmica de las partículas en una sustancia; es una propiedad de la materia que está relacionada con la distribución de la energía calorífica entre la materia de un cuerpo. La energía cinética promedio depende únicamente de la temperatura del cuerpo. Cuanto más alta sea la temperatura, tanto mayor será la energía cinética de las moléculas.

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 del recipiente que contiene el gas. 

     Como se muestra en la siguiente imagen: 

Presión

Cuando un fluido (líquido o gas) está contenido en un recipiente, el fluido ejerce una fuerza sobre cada elemento de área del recipiente. Un ejemplo, considérese el gas dentro de un globo. Si se continúa soplando aire dentro del globo la presión va aumentando hasta que la fuerza ejercida sobre las pares es tan grande que el hule se rompe. La presión P en un fluido, se define como la fuerza por unidad de área ejercida sobre las paredes del recipiente.

P=F/A

La presión que ejerce un gas sobre las paredes del recipiente que lo contiene es debido 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:

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. 

   Bibliografia: 

   Física Conceptual / Paul G. Hewitt / Ed. Pearson / Décima edición

Movimiento Browniano.

En 1827 Robert Brown observó como las partículas de polen en el agua se movían de una manera errática, constante y aleatoria en todas direcciones. Por un momento pensó que se trataba de la “vida” que existía dentro del polen, sin embargo, repitió el experimento con diferentes partículas de polvo obteniendo resultados similares. De sus observaciones y las de otros científicos se pudieron obtener un par de conclusiones: que las partículas presentaban mayor movimiento entre más pequeñas fueran y que éste aumentaba también al incrementar la temperatura del líquido. A este tipo de movimiento azaroso se le dio el nombre de movimiento browniano en su honor.

Fuente: http://www.pasajealaciencia.es/2005/images/a06f02.jpg

Ludwig Christian Wiener escribió una hipótesis en la que decía que este movimiento se podía explicar si el agua estuviera formada de átomos que chocaran por todas partes. 

En 1905 Albert Einstein se preguntó si el movimiento de una partícula lo suficientemente grande para ser observada bajo un microscopio al interactuar con el agua podría ser una prueba de la existencia de los átomos.

Albert Einstein nos dice:

“El movimiento browniano es debido a la excitación térmica de las moléculas de agua. El movimiento que se provoca en los granos de polen no es debido a la colisión entre una molécula de agua y el polen, ya que esto requeriría que las moléculas de agua fueran muchísimo más grandes. Es más, cada pequeño movimiento de un grano de polen es el resultado de que muchas moléculas colisionen con él. En un tiempo dado, el efecto acumulado de estas colisiones se desequilibrará en una dirección, empujando al grano en esa dirección. En un instante posterior, las colisiones se desequilibrarán en otra dirección aleatoria, y así sucesivamente.”

Según la teoría cinética las partículas están en continuo movimiento, el cual se intensifica al aumentar la temperatura. Einstein decía que el comportamiento de movimiento aparente de las partículas suspendidas en el líquido de debía a que eran bombardeadas por partículas invisibles que constituían dicho líquido explicando de esta manera el movimiento browniano.

EXPLICACIÓN FÍSICA CONCEPTUAL

El movimiento browniano consiste en una agitación desordenada, en zigzag, ejecutada por las partículas que se hallan en suspensión en los líquidos o en los gases.

Cuanto menor es la partícula observada, más claramente se pone de manifiesto su estado de movimiento desordenado permanente y cuanto mayor es la temperatura tanto mayor es la violencia de dicho movimiento.

El movimiento browniano sugiere un estado de continua agitación de las moléculas que constituyen los cuerpos materiales. Todo parece indicar que la materia está formada por partículas muy pequeñas en movimiento incesante. Esta teoría de las moléculas en constante agitación se denomina teoría cinética de la materia y sus dos postulados fundamentales son:

1. Las moléculas están en constante movimiento.
2. El calor es una manifestación del movimiento de las moléculas.
   

Fuente: http://graficas.explora.cl/otros/expoquantos/img/browniano3obj-p.jpg

Para un mayor entendimiento en este link se podrá observar un video sobre un claro ejemplo del movimiento browniano:

• https://www.youtube.com/watch?v=VJ3xzfnGUGA

Bibliografía

• http://lateoriacinetica.blogspot.mx/2011/12/movimiento-browniano_15.html
• http://www.portalplanetasedna.com.ar/albert03.htm
• http://www.portalplanetasedna.com.ar/teoria_cinetica.htm

Deducción de las leyes de los gases.

Los gases se forman cuando la energía de un sistema excede todas las fuerzas de atracción entre moléculas. Así, las moléculas de gas interactúan poco, ocasionalmente chocándose. En el estado gaseoso, las moléculas se mueven rápidamente y son libres de circular en cualquier dirección, extendiéndose en largas distancias. A medida que la temperatura aumenta, la cantidad de movimiento de las moléculas individuales aumenta. Los gases se expanden para llenar sus contenedores y tienen una densidad baja. Debido a que las moléculas individuales están ampliamente separadas y pueden circular libremente en el estado gaseoso, los gases pueden ser fácilmente comprimidos y pueden tener una forma indefinida 

El comportamiento de todos los gases se ajusta a cuatro leyes, las cuales relacionan el volumen de un gas con su temperatura y presión. Los gases que obedecen estas leyes son llamados gases ideales o perfectos.
Los cuales son:

Ley de Avogadro

“La ley de Avogadro representa la relación entre el volumen de un gas y el numero de moles o cantidad”

Conforme agregamos gas a un globo, este se expande. La relación entre la cantidad de un gas y so volumen se deriva del trabajo de Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1823) y Amadeo Avogadro. En 1808 Lussac estableció la ley de los volúmenes de combinación: 

“a una presión y temperatura dadas, los volúmenes de los gases que reaccionan entre si se encuentran en relaciones de números enteros pequeños.”

Tres años después Avogadro interpretó la observación de Lussac proponiendo lo que ahora se conoce como la hipótesis de Avogadro: 

“Volúmenes iguales de gases a la misma presión y temperatura contienen el mismo número de moléculas.” Como se muestra en la siguiente imagen:

Por ejemplo experimentos muestran que 22,4 L de cualquier gas a 0 oC y 1 atm de presión contienen 6,02 * 1023 moléculas de gas es decir 1 mol. 

La ley de Avogadro es consecuencia de su hipótesis: El volumen de un gas mantenido a temperatura y presión constantes, es directamente proporcional al número de moles del gas. 

V=Constante*n a P y T constantes

Para una mayor apreciación de esta ley podemos observarlo en el siguiente video:https://www.youtube.com/watch?v=LCBksqeqv-g#t=33 .

Ley de Boyle

“La ley de Boyle representa la relación entre la presión y el volumen de un gas” 

Si la presión de un globo disminuye, el globo se expande. Es por esto que los globos meteorológicos se expanden conforme se elevan en la atmósfera. Por el contrario cuando el volumen de un gas se comprime, la presión del mismo aumenta. El químico inglés Robert Boyle (1627-1691) fue el primero en estudiar la relación entre la presión de un gas y su volumen. 

Para sus experimentos Boyle utilizó un tubo en forma de J como el de la figura:

En la parte izquierda del tubo, se tenía una cantidad de gas atrapada por una columna de mercurio. Boyle cambio la presión del gas añadiendo mercurio al tubo. Encontró que el volumen del gas disminuyó cuando el volumen aumentó. Por ejemplo, al duplicar la presión ocasionó que el volumen del gas disminuyera a la mitad de su valor original.

La ley de Boyle establece que el volumen de una cantidad fija de gas mantenida a una temperatura constante, es inversamente proporcional a la presión. 

V=Constante*1/P o PV=Constante Con T y n constantes

Para una demostración mas grafica podemos ver el siguiente video: https://www.youtube.com/watch?v=43k0qNLHjjs

Ley de Charles

“La ley de Charles representa la relación entre la temperatura y el volumen de un gas”

Los globos con aire caliente se elevan porque el aire se expande cuando se calienta. El aire caliente es menos denso que el aire frio de los alrededores lo que genera una fuerza de empuje que hace al globo ascender. La relación entre el volumen de un gas y la temperatura fue descubierta en 1787 por el científico francés Jacques Charles (1746-1823). Charles descubrió que el volumen de una cantidad fija de gas a una presión constante aumenta linealmente con la temperatura, tal y como muestra la figura:

Al extrapolar estos datos experimentales la línea punteada pasa por -273 oC. Observe de la figura que se predice que el gas tendrá un volumen igual a cero a esta temperatura. 

En 1848 William Thomson, propuso una escala de temperatura absoluta, ahora conocida como escala Kelvin. En esta escala, 0 K, que es conocida como cero absoluto, es igual a -273,15 oC. En términos de la escala Kelvin, la ley de Charles puede expresarse como sigue: El volumen de una cantidad fija de gas mantenida a presión constante, es directamente proporcional a su temperatura absoluta. 

V = Constante*T o V/T = Constante 

Con P y n constantes

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:

P/T= K

   

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

Supongamos que tenemos un gas que se encuentra a una presión P₁ y a una temperatura T₁ al comienzo del experimento. Si variamos la temperatura hasta un nuevo valor T₂, entonces la presión cambiará a P₂, y se cumplirá:

P1/T1=P2/T2

que es otra manera de expresar la ley de Gay-Lussac.

Esta ley, al igual que la de Charles, está expresada en función de la temperatura absoluta. Al igual que en la ley de Charles, las temperaturas han de expresarse en Kelvin

Ley general de los gases

La ley general de los gases o ley combinada dice que una masa de gas que ocupa un volumen está determinado por la presión y temperatura de dicho gas.

Estudian el comportamiento de una determinada masa de gas si una de esas magnitudes permanece constante.

Es una ley de los gases que combina la ley de Boyle, la ley de Charles y la ley de Gay-Lussac.

• Ley de Boyle

Esta ley fue descubierta por el científico inglés Robert Boyle en 1662.  Edme Marlotte 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-Marlotte"

La ley de Boyle establece que ha temperatura constante, la presión de una cantidad fija de gas es inversamente proporcional al volumen que ocupa.

•  Ley de Gay-Lussac

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.

• Ley de Charles

En 1787, el físico frances J. Charles propuso por primera vez la relación proporcional entre el volumen y la temperatura de los gases a presión constante.

A presión constante, el volumen se dobla cuando la temperatura absoluta se duplica.