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Qué le sucede a la materia cuando cambia la temperatura o la presión aplicada sobre ella?
from Ciencias 2 Física
by ciencias85
3.44. El agua, al congelarse, forma una estructura abierta y ordenada de cristales que ocupa mayor volumen con el mismo número de moléculas.
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Solicita a tu maestra o maestro que proyecte el video Calor y los estados de la materia, de la colección Física elemental, volumen 2. Durante su transmisión elabora un cuestionario con las dudas que te surjan; o bien, amplíalo con preguntas que puedas responder usando las explicaciones del video.
Presenta las preguntas a tus compañeros y discute con ellos las respuestas.
3.3 ¿Qué le sucede a la materia cuando cambia la temperatura o la presión ejercida sobre ella?
La materia que nos rodea existe en cuatro estados: sólido, líquido, gaseoso y plasma y puede cambiar de un estado a otro al modificar las condiciones de presión o temperatura de su entorno.
Si calientas un hielo, que es el estado sólido del agua, el calor hace que la estructura rígida se rompa y pase al estado líquido.
A este cambio de sólido a líquido se le llama fusión.
El punto de fusión es la temperatura que requiere una sustancia, al nivel del mar, para cambiar de sólido a líquido o de líquido a sólido. Para el agua esta temperatura es 0 °C. ¿Qué pasa si no estás en el nivel del mar? Puedes realizar uno de los experimentos de “Mi proyecto 1. Feria de calor y presión” páginas 146- 147, para ayudarte a responder esta pregunta.
El cambio de estado de líquido a sólido se llama solidificación. Este proceso ocurre cuando se extrae calor de una sustancia, por ejemplo cuando enfrías agua líquida, se convierte en hielo. Al contrario de todas las otras sustancias que conoces, el agua se expande al congelarse y es menos densa. ¡Por eso los hielos flotan en tu limonada!
Si aplicas presión a un hielo, puedes disminuir su temperatura de solidificación, ¡que se convierta en líquido aunque esté a 0 °C! Sí, porque al ejercer presiones muy altas, los enlaces de un sólido se comprimen; esto puede romperlos y lograr un cambio al estado líquido. Pero si retiras la presión, regresará de inmediato a su estado sólido.
Has observado que las cosas se secan, por ejemplo, la ropa cuando se tiende, o que un charco de agua, al final acaba secándose. También que cuanto mayor es la temperatura, más rápido es este proceso. Esto sucede porque el agua se evapora en todo momento, hasta que alcanza un equilibrio con la humedad del ambiente.
El cambio del estado líquido al gaseoso se llama vaporización o evaporación. Este proceso se puede llevar a cabo en la superficie de los líquidos. Algunas moléculas de agua, al ser golpeadas por otras, alcanzan la energía suficiente para desprenderse y salir en forma de vapor.
Sin embargo, también se puede producir vapor en el interior del líquido. Cuando se calienta un líquido en una estufa, el vapor (o gas) se forma primero bajo la superficie, produciendo burbujas que puedes observar, a este fenómeno se le llama ebullición.
El punto de ebullición es la temperatura a la que hierve una sustancia, al nivel del mar. El agua ebulle a 100 °C.
Si un gas entra en contacto con un entorno a menor temperatura pierde calor, esto provoca que sus partículas pierdan velocidad, se contraigan y ocupen menor volumen. A este proceso se le llama condensación.
Si tapas un vaso de agua, notarás que no se evapora; también podrán formarse gotas de agua en sus paredes. Esto se debe a que el agua se está evaporando y condensando de manera continua. Si encierras gas en un recipiente y disminuyes su temperatura de calentamiento, puedes producir
En el Ateneo
1. Los dentistas están dejando de usar metales para cubrir las caries
Los enlaces de los sólidos se expanden al contacto con el calor, pero no siempre se rompen. Cuando la temperatura no es suficiente para producir un cambio de estado, puede generar otro tipo de fenómenos, como la dilatación térmica. Cada material se dilata de distinta forma cuando está sujeto a transferencias de calor.
Existen muchos casos en los que se usan hilos de material como los cables de portadores de corriente o los rieles del tren, en los que es necesario calcular cuál será su dilatación.
La dilatación lineal es el cambio de una longitud inicial ( L i ) a una final (L f ), dado por (L f L i ), y depende del cambio de temperatura (T f T i ), de la longitud inicial y del tipo de material. Cada material tiene un coeficiente de dilatación lineal característico, representado por la letra griega alfa ().
La expresión matemática de la dilatación lineal es: ( L f L i ) L i (T f – T i )
Durante la comida sometemos a nuestros dientes a cambios de temperatura. Con seguridad has sentido dolor cuando comes una paleta helada después de algo caliente. Los dientes se expanden y se contraen muy poco, pero los metales se contraen y expanden más que el hueso, por eso en algunos casos las coronas de metal se caen o permiten la proliferación de caries debajo de ellas. La nueva tecnología ha desarrollado resinas que, además de parecerse al color de tus dientes, tiene un coeficiente de dilatación más parecido a ellos. ■ Investiga qué son las resinas, qué otras aplicaciones tienen y cómo se utilizan en la actualidad. ■ Discute con tus compañeros y compañeras el uso de la tecnología en la vida cotidiana.
al instante una implosión. En esta acción se rompen hacia adentro, con estruendo, las paredes de una cavidad en cuyo interior hay una presión que es inferior a la que hay en el exterior. Revisa “Mi proyecto 1. Feria de calor y presión”.
Quizá has escuchado la palabra plasma, cuando se habla de los televisores con pantalla plana, o también de las estrellas, como nuestro Sol, cuyas temperaturas van de 4 000 hasta ¡15 000 000 °C! Sin embargo, no es necesaria la alta tecnología ni viajar al Sol para que conozcas ese estado de la materia. El plasma es un gas que contiene un gran número de partículas cargadas eléctricamente mucho más libres que en el estado gaseoso normal, lo que provoca comportamientos distintos. Podríamos pensar en éste como un estado más allá del gaseoso. No sólo las pantallas contienen gas en ese estado, hay muchos otros tipos de plasma, como los rayos de una tormenta, el gas que hay en el interior de un tubo fluorescente, nuestra ionosfera y sí, el ¡fuego!
Existe un caso especial de cambio de estado que sólo se produce en algunas sustancias como el yodo y el hielo seco. Se llama sublimación y es el cambio del estado sólido al gaseoso, sin pasar por líquido.
¿Sabías...
… que las montañas pueden derretirse?
Gran parte de los sólidos requieren una presión entre cien mil y un millón de atmósferas, para reducir de manera apreciable el volumen de un pedazo de roca o de metal.
Las montañas están formadas por rocas y metales. Si la presión que ejerce el peso de la montaña sobre los elementos de las capas inferiores excede las fuerzas de cohesión y repulsión eléctricas de las sustancias que las componen, entonces empezarán a fluir y la montaña comenzará a sumirse. Las montañas alcanzan cierta altura, porque se establece un equilibrio entre la fuerza gravitacional terrestre y las fuerzas eléctricas de los enlaces atómicos de las piedras y los metales.
Aquí lo grande equilibra a lo pequeño. ¿Piensas que pueden existir montañas más altas en otros planetas?
En el Ateneo
1. Olla exprés
El funcionamiento de la olla exprés se basa en que la temperatura de ebullición del agua varía si cambia la presión que hay en el ambiente. A mayor presión del ambiente, mayor es la temperatura de ebullición.
Cuando cocinamos sin olla exprés, hacemos que la temperatura aumente y también la presión del líquido.
La ebullición comienza cuando la presión del líquido iguala a la presión del medio ambiente, por lo general la atmosférica.
La diferencia con una olla exprés es que, al estar cerrada, impide que el vapor se escape. Esto incrementa la presión del ambiente interno de la olla exprés y hace posible aumentar más la temperatura sin que el agua hierva. Si se logra tener el agua a más de 100 ºC en estado líquido, se reduce el proceso de cocción.
Cuando se sobrepasa una presión límite la olla exprés permite el escape de vapor. • ¿Por qué es importante revisar que la olla exprés de tu casa tenga limpias sus válvulas de escape, antes de cocinar con ella? ¿Por qué es importante hacerlo con ayuda de un adulto? ■ Discute con tus compañeros cuáles son las medidas de seguridad cuando trabajas con calor y presión, y cómo las usas en tu vida cotidiana.
Cuidado: cuando encierras líquido en un recipiente hermético y lo calientas hasta que ocurre el cambio de estado, se puede producir una explosión.
3.45. Durante la sublimación, la sustancias, como el hielo seco, pasan del estado sólido al vapor.
También existe la sublimación inversa, que es el cambio de estado de gas a sólido sin pasar por líquido. Cuando la temperatura es inferior a 0 °C el vapor de agua de la atmósfera pasa directamente a sólido y se deposita en forma de cristales de hielo: nieve y escarcha ¿sabías que la nieve se hace con un proceso de sublimación inversa?
Podemos clasificar todos los procesos anteriores según el flujo de energía que se realizó. Para cambiar una sustancia del estado sólido al líquido y del líquido al gaseoso es necesario aportar energía. Por el contrario, para transformar una sustancia del estado gaseoso al líquido y del líquido al sólido se requiere extraer energía.
La energía proporcionada para transformar una sustancia no siempre produce un cambio de temperatura. Es decir, existen procesos que consumen el calor suministrado e impiden la elevación de la temperatura.
Cuando pones a calentar un hielo observas que la temperatura se mantiene en 0 °C, hasta que todo el hielo se ha derretido. Si continúa el calentamiento, la temperatura se elevará y empezará la ebullición, el termómetro marcará 100 °C al nivel del mar, hasta que toda el agua se haya evaporado. Sólo cuando toda el agua se convierte en vapor, éste elevará su temperatura.
Lo anterior se puede representar en la siguiente gráfica de temperatura contra tiempo.
3.46. La gráfica corresponde a un hielo que se calienta hasta que se funde y después se vaporiza. Observa que en una gráfica de temperatura contra tiempo existen periodos en los que no hay cambio de temperatura. Estos segmentos horizontales en la gráfica corresponden a cambios de estado de la sustancia. Sin embargo, esto no significa que deje de fluir calor hacia el sistema, si así fuera, terminaría el proceso de cambio de estado. T (°C)
100
80
60
40
20
Para representar en forma gráfica los cambios de estado o cambios de fase de una sustancia, se pueden utilizar diagramas de presión contra temperatura, como el que observas en la figura 3.47.
Generalmente para una presión y una temperatura determinadas, la sustancia presenta una única fase. Sin embargo, existen zonas en las que se puede encontrar en dos estados a la vez y un punto, llamado punto triple en el que las sustancias pueden estar simultáneamente en los tres estados. En la gráfica se muestran los cambios de fase del agua. La línea verde representa el valor del punto de ebullición, la púrpura el de congelación y se muestra cómo varían para cada presión.
Usa esta información cuando describas tus resultados del proyecto “Feria de calor y presión” de la página 146.
P (atm)
218
1.0
0.0006 Sólido B
Líquido
Punto triple
O
Vapor C Punto crítico
A
0
0.0098 100 374 T (°C)
3.47. Diagrama de cambios de fase del agua. El punto triple está marcado en rojo. Identifica en el diagrama lo siguiente: ¿Cuál es la temperatura y la presión del punto crítico? ¿Cuáles la menor temperatura si no se desea agua en estado sólido? Si la presión se encuentra entre 1 y 50 atmósferas y la temperatura entre 373 K y 674 K, ¿qué fases se encuentran?
¿Qué aprendí en esta lección?
En qué consisten los cambios de estado y que, a manera de resumen, es posible representarlos en un diagrama o mapa conceptual.
