Se dice que la materia es discontinua, esto quiere decir que esta formada por pequeñas partículas que son los átomos y las moléculas. Existieron dos filósofos, Leucipo y Demócrito, que se interesaron por demostrar la existencia de los átomos, pero sus experimentos carecían del rigor del método científico. Tiempo después, en 1803, el químico británico Jonh Dalton utilizo los átomos para poder explicar las leyes de la química. De la teoría atómica de Dalton se empezaron a dar ideas sobre la existencia de las moléculas, esta teoría sobrevivió al combulso para que tiempo después los físicos L. E. Botlzmann y J.C. Maxwell se apoyara en dicha teoría para poder construir la teoría cinético molecular de la materia.
Autores de la teoría cinética de los gases: James Clerck Maxwell (izquierda) y Ludwing Edward Botlzmann (derecha)
POSTULADOS
1. La materia está compuesta de partículas muy pequeñas, llamadas moléculas. Las propiedades químicas de las moléculas va a depender de su composición. Las propiedades físicas, sin embargo, dependen de las fuerzas que las moléculas ejercen entre sí, y de la distancia que las separa.
2. Las moléculas están en constante movimiento. El promedio de la energía cinética de las moléculas depende de la temperatura.
3. Las moléculas se mueven de manera totalmente desordenada y en sus movimientos obedecen a las leyes del movimiento de Newton.
4. Las moléculas no ejercen fuerzas mutuas salvo durante un choque. En los choques entre las moléculas, su movimiento es lineal y su energía cinética no cambia. Dichos choques son perfectamente elásticos y de poca duración.
5. El número de moléculas es grande y, dado su movimiento desordenado, el número de moléculas que se mueven en una dirección es el mismo que el que se mueven en otra dirección cualquiera.
Estos postulados nos acercan a saber el comportamiento de un gas ideal. Los gases reales se aproximan al comportamiento d los gases ideales en condiciones de una densidad y temperaturas bajas.
sábado, 4 de enero de 2014
DEDUCCIÓN DE LA PRESIÓN Y LA TEMPERATURA BAJO ESTA TEORÍA.
De acuerdo con la teoría cinética de la materia la presión es el resultado de ejercer una fuerza sobre una superficie, en los sólidos y líquidos altera su masa y el volumen, mientras que un gas al quitarle presión este tiende a aumentar su masa siguiendo la Ley de Boyle - Marriotte, que nos dice que al disminuir la presión ejercida por un gas, este aumenta su volumen.
La temperatura tiene un papel fundamental en la materia ya que esta varia el estado en el que se encuentra un ejemplo claro es el del agua, que variar la temperatura cuando el agua esta en estado solido (hielo (a)) , cambia a estado liquido (b), y al seguir cambiando la temperatura hasta que que el agua alcance su punto de ebullición, cambia al estado gaseoso (vapor (c)). Al aumentar la temperatura aumenta la velocidad media de las moléculas que por tanto aumenta el número y la fuerza con las que las moléculas chocan con las paredes del recipiente.
Estas dos propiedades de la materia tienen relación mas en los gases cuando aumenta la temperatura de un gas contenido en un recipiente, manteniendo constante el volumen, las moléculas aumentan su velocidad y chocan con más intensidad sobre el recipiente aumentando su presión.
Estado de agregación de la materia. Ley de Boyle- Marriotte
Describe la relación entre la presión y el volumen de un gas cuando la temperatura es constante.
El volumen que ocupa un gas es inversamente proporcional a la presión ejercida sobre él.
Sí se aumenta la presión, el volumen del gas disminuye.
Si se disminuye la presión, el volumen del gas aumenta.
La relación matemática es P * V = constante, es decir P1 * V1= P2 * V2.
P1 y V1 representan la presión y el volumen inicial y P2 y V2 representan la presión y volumen final.
Escala molecular por una serie de coaliciones de una dimensión en la cual pequeñas partículas denominadas térmica experimentan choques con una partícula mayor.
Robert Brown fue conocido por el estudio de los granos de polen, al estudiar estos granos minuciosamente a través del microscopio encontró un problema, los granos no paraban de moverse, se desplazaban rápidamente.
Fig. 1.1 Robert Brown
Brown probó con distintas partículas de madera petrificada, cristal, pero se movían con todo lo demás aunque era material inanimada.
El se preguntó cómo era que se movían si no tenían fuerza.
Fig. 1.2 Trayectoria irregular que sigue una partícula browniana
Hasta 1905 Einstein llegó a una conclusión mientras disolvía un terrón de azúcar en una taza de té.
Siguiendo la suposición de un grupo de cientificos, Einstein consideró la posibilida de que el movimiento de las partículas visibles a través del microscopio fuera causado por las conexiones de las partículas más pequeñas de las del agua, estas partículas los átomos.
Fig. 1.3 Albert Einstein
APORTACIONES
En el proceso DLA ( Agregación por Difusión Limitada), ayuda al crecimiento de musgos, algas y líquenes.
En química en la electrolisis y la cristalización.
También ayuda en la comunicación de las células con movimiento celular sin desplazamiento en forma de temblores.
en las granulaciones interiores de los leucocitos cuando el agua a penetrado en el espesor del protoplasmas y diluido en el jugo celular.
La materia existen en tres estados: solido, líquido y
gaseoso. Toda la materia se compone de partículas que están compuestas de
átomos, moléculas o iones, las cuales ejercen una fuerza entre ellas y
contienen una energía, que determinan las propiedades de los sólidos, líquidos
y gases.
LAS MOLÉCULAS
Estas partículas contienen un espacio vacío entre ellas y
tienen un continuo movimiento, por lo tanto usan de la energía cinética y
potencial. La energía cinética se define como una energía de movimiento, que implica la fuerza (de gravedad, de fricción, muscular o de resistencia interna) que se necesita para provocar la aceleración de un cuerpo que se encuentra en estado de reposo, hasta su velocidad indicada. Y la energía potencial es aquella capacidad que tiene un cuerpo para desarrollar una acción de acuerdo a cómo están configurados en el sistema de cuerpos que realizan fuerzas entre sí. En otras palabras, la energía potencial es la energía que es capaz de generar un trabajo como consecuencia de la posición del cuerpo.
Ejemplos de la energía potencial y cinética de la materia
La teoría cinética de la materia explica las
características de los estados de agregación de la siguiente manera:
Sólidos
Los sólidos se caracterizan por tener forma y
volumen definidos. En un sólido sus partículas están muy próximas entre sí y
vibran sin desplazarse en torno a posiciones fijas. Las fuerzas atractivas de
las partículas son elevadas y sus oscilaciones son mayores al aumentar la
temperatura y disminuyen al descender ésta.
Moléculas de un sólido
Iceberg (sólido)
Líquidos
En
un líquido las partículas están más próximas unas de otras, pero no ocupan
posiciones fijas. Las partículas se deslizan dentro del recipiente que contiene
el líquido porque las fuerzas atractivas son menores que en el caso de los
sólidos. Por lo tanto los líquidos tienen un volumen definido pero carecen de
una forma, es decir es un fluido.
Moléculas de un líquido
Agua (liquido)
Gas
En un gas las partículas están muy alejadas
unas de otras y las fuerzas atractivas son muy pequeñas. Debido al continuo
movimiento de las partículas al azar, se difunden y tienden a ocupar todo el
volumen del recipiente en el que se encuentran.
Moléculas de un gas
Cafetera (gas)
Esta teoría explica los cambios de estado de
agregaciónque pueden experimentar una
sustancia por cambios de presión y temperatura. Así:
vAl aumentar la temperatura, las vibraciones de las partículas de
un sólido pueden llegar al punto en el que las fuerzas de atracción entre las
partículas más próximas no sean suficientes para retenerlas y empiecen a
moverse como las de un líquido. Si la temperatura sigue creciendo aumentan los
desplazamientos de las partículas de un líquido hasta que las fuerzas de
atracción no sean suficientes para retenerlas y comiencen a moverse como las de
un gas.
vAl aumentar la presión de un gas, se comprime y disminuye su
volumen, por lo que sus partículas se moverán cada vez más lentamente hasta
que, al pasar cerca de las que la rodean queden captadas por las fuerzas de
atracción del conjunto y se forme un sólido o un líquido.
LA DEDUCCIÓN DE LAS LEYES DE LOS GASES
A PARTIR DE ESTA TEORÍA
Las partículas de gas son extremadamente pequeñas y entre
ellas hay distancias relativamente grandes. Los gases se pueden comprimir
fácilmente, perlo los líquidos y sólidos no se puede comprimirse de modo
apreciable porque las partículas que lo componen ya están muy cerca una de
otras.
Las partículas de gas actúan independientemente una de
otras porque no hay fuerzas atractivas ni repulsivas significativas entre las
partículas de gas. En comparación con la energía de las partículas de gas, las
fuerzas intermoléculares entre las partículas de gas son tan débiles que no tienen un efecto real.
Las partículas de gas
se mueven en línea recta continua al azar, de modo que chocan unas
contra otras y con las paredes del contenedor. Las partículas de gas se mueven
hasta que una colisión altera su curso porque los gases llenan el volumen
entero del contenedor.
La energía cinética promedio de las partículas
de gas es proporcional a la temperatura del gas. La energía añadida en un sistema aumenta la
energía cinética de las partículas, lo cual se traduce en un aumento de la
temperatura del gas.
Interpretación
del movimiento de las partículas de un gas en el interior del recipiente, de
acuerdo con la teoría cinética de la materia
LA LEY DEL GAS IDEAL
Las leyes de Boyle-Mariotte,
de Charles y de Gay-Lussac sobre el comportamiento de los gases, aunque son
aplicables dentro de una buena aproximación a los gases existentes en la
naturaleza, son tanto más imprecisas cuanto mayor es la densidad, la presión o
la temperatura del gas. Por ello los gases que cumplen con exactitud dichas
leyes físicas se denominan gases perfectos o ideales.
Es
posible combinar las leyes de los gases en una sola ecuación sencilla si la
temperatura se expresa en la escala absoluta o Kelvin. Así la ley de Charles y
la de Gay- Lussac expresan, respectivamente:
V = k T (1) y
P = k* T
Por otra parte la ley de
Boyle establece la proporcionalidad inversa entre V y P, es decir:
P V=
k** (2) o lo que es lo mismo V =
k**/ P (3)
Combinando ecuaciones (1) y
(3) resulta:
V = k (T/P) (4)donde K = k*/kn
Remplazando
en (4) en (2)
PV/
T = constante
Que indica que el producto
del volumen de un gas por su presión dividido por su temperatura absoluta es
una cantidad constante.
Ello significa que una
muestra gaseosa dada puede evolucionar de un estado inicial a otro final cambiando
en el proceso su presión, su volumen o su temperatura, pero siempre que la
cantidad PV/Tno varíe.
Para dos estados
cualesquiera inicial y final (1 y 2, respectivamente) las magnitudes P, V y T
están relacionadas en la forma:
Ley del gas
ideal (P1 V1) / T1=
(P2 V2) / T2
El
producto de la presión por el volumen, dividido por la temperatura absoluta, en
el estado inicial, es igual al producto de la presión por el volumen, dividido
por la temperatura absoluta, en el estado final, siempre que la masa del gas
sea constante.
En
este enunciado quedan asociadas las dos leyes volumétricas de los gases: BOYLE,
CHARLES y GAY LUSSAC
La
constante de proporcionalidad depende de la cantidad de sustancia gaseosa
considerada.
Cuando
esta circunstancia se introduce en la ecuación (3) , es decir se trabaja con un
número de moles (cantidad de sustancia gaseosa) distinto de uno resulta la
expresión de la Ecuación del gas ideal:
Ecuación del gas ideal P V = n R T
Donde
n es el número de moles de la muestra gaseosa considerada y R es la llamada
constante de los gases perfectos igual a: 0,082 atm · K-1 · mol-1.
Cuando
se opera con gases reales, los datos hallados experimentalmente no coinciden
con los calculados usando las leyes volumétricas, particularmente cuando las
presiones y temperaturas se apartan mucho de las habituales. Los gases reales
cumplen con aproximadamente las leyes volumétricas.
El
estudio del comportamiento real requiere ecuaciones físico-matemático
complicadas. Por razones de simplicidad, se admite su comportamiento ideal,
ajustado a las leyes volumétricas. Los resultados deducidos teóricamente
difieren poco de los experimentales. En la mayoría de las aplicaciones comunes,
los errores cometidos son tan pequeños que se desprecian.
Se
han deducido experimentalmente tres leyes que cumplen aproximadamente todos los
gases, especialmente en condiciones de baja presión y alta temperatura.
LEY
DE BOYLE:
En
1662, el inglés Boyle y el francés Mariotte establecieron de forma
independiente que:
"El
volumen de una masa definida de gas, a temperatura constante, es inversamente
proporcional a la presión."
Expresión
matemática:
P1 . V1 = P2 . V2
P
. V = Constante
Los
experimentos que le permitieron establecer su conocida ley consistieron, en
añadir mercurio a un tubo acodado suficientemente largo abierto por un extremo
y provisto de una llave en el otro. Con la llave abierta vertía mercurio y su nivel en las dos ramas
del tubo se igualaba. Después cerraba la llave y añadía sucesivamente
cantidades de mercurio iguales, con lo
cual, la presión a la que estaba sometido el gas encerrado en el otro extremo
del tubo, aumentaba en igual proporción.
Mediante sucesivas medidas de la distancia entre los dos niveles alcanzados por el mercurio en ambas ramas del
tubo, observó que la disminución del volumen del gas guardaba cierta relación con el aumento
de presión. Si doblaba el peso de mercurio, el volumen se reducía a la mitad, si lo triplicaba se
reducía a la tercera parte y así sucesivamente. Un análisis cuidadoso de tales resultados experimentales
le permitió, finalmente, enunciar su ley.
Fig. 1.1. Representación esquemática de la Ley de Boyle
Fig. 1.2.- Aparato para estudiar la relación entre la presión y el volumen de un gas. En a) la presión del gas es igual a la presión atmosférica. La presión ejercida sobre el gas aumenta desde hasta d) a medida que se agrega mercurio, y el volumen del gas disminuye, como lo predice la Ley de Boyle, la presión adicional ejercida sobre el el gas se observa por la diferencia entre los niveles de mercurio. La temperatura del gas se mantiene constante
LEY DE CHARLES :
El físico francés Jacques Charles ( 1763 - 1823 ), descubrió la relación existente entre el volume y la temperatura de un gas, siempre y cuando su presión se mantenga invariable. para ello utilizó el mismo diseño empelado un siglo antes por Boyle, pero ahora variando la temperatura y manteniendo constante la presión
" A presión constante, el volumen ocupado por una masa definida de una muestra de gas es directamente proporcional a la temperatura ( kelvin o absoluta ) "
Expresión matemática :
V = kT
Donde k es una constante de proporcionalidad.
Fig.1.3.- Representación esquemática de la Ley de Charles
LEY DE GAY - LUSSAC
En esta ley se vincula la presión y la temperatura absoluta de una masa constante de gas a volumen constante. " La presión de una masa definida de gas, a volumen constante, es directamente proporcional a la temperatura absoluta " Expresión matemática:
k = P/ T
Donde k es una constate de proporcionalidad.
Para un estado inicial y un estado final:
Pi / Tf = Pf / Ti
Fig. 1.4.- Representación esquemática de la Ley de Gay- Lussac.
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