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viernes, 7 de septiembre de 2007

Modelo de partícula

La ciencia actual basa todos sus conocimientos en la hipótesis de que la materia está formada por pequeñas partículas, llamadas átomos, moléculas o iones, lo cual recibe el nombre de “modelo de partícula” y da el fundamento a toda la Teoría Cinética de la materia. A través de este modelo se pueden explicar perfectamente todos los hechos experimentales conocidos hasta hoy. Por eso, en este momento científico, el modelo es válido.

Materia es todo aquello que nos rodea, posee masa, volumen y es perceptible a través de nuestros sentidos. Se llama cuerpo a toda porción limitada de materia.
Propiedades de la materia:
La materia tiene propiedades generales como son: ponderabilidad, extensión, impenetrabilidad e inercia. La materia es ponderable, quiere decir que se puede medir su masa. La masa indica la cantidad de materia de un cuerpo y se mide con la balanza. La extensión quiere decir que la materia ocupa un lugar en el espacio, o sea tiene volumen, y la impenetrabilidad indica que dos cuerpos no pueden ocupar el mismo volumen en el mismo momento. La inercia es la resistencia que opone la materia a variar el estado de reposo o de movimiento que posee en un momento dado.
Las propiedades de la materia se pueden clasificar de distintas formas, según lo que se quiera analizar. Así también se habla de propiedades extensivas e intensivas (según dependan o no de la cantidad de materia considerada). Son ej de extensivas la masa, el volumen, la superficie, la longitud, el peso. Estas propiedades cambian su valor si hay mayor o menor masa. En cambio, las propiedades intensivas son aquellas que no dependen de la cantidad de materia considerada. Ej: la densidad, el peso específico, el PE, el PF (y todas las temperaturas de los cambios de estado medidas a presión normal), la forma cristalina, el índice de refracción, los caracteres organolépticos (aquellos que se detectan por los órganos de los sentidos: color, olor, sabor, textura). Este conjunto de propiedades define a las sustancias. Una sustancia se diferencia de otra porque tiene un conjunto de propiedades intensivas diferente.
Diferencia entre masa y Peso:
Por acción de la aceleración de la gravedad del planeta Tierra (g = 9,8 m/s2), toda la materia se ve atraída hacia su centro, esto es lo que la ciencia Física llama Peso (la Fuerza con que la Tierra nos atrae). Entonces masa y Peso no son la misma magnitud. La masa se mide en unidades de masa: g, kg o mg (se lee gramo masa, por ej) y el Peso se mide en unidades de Fuerza: Kgr, gr (se lee kilogramo fuerza o gramo fuerza), así como también N (Newton) y din (Dina), según el Sistema Métrico de Unidades elegido.
Materia y Energía:
Pero en el Universo en el que estamos inmersos, no todo es material. También está la Energía, que no posee masa y por consiguiente tampoco tiene Peso. La Energía es la capacidad de producir Trabajo. No podemos percibirla a través de nuestros sentidos, pero sí a través de las formas en que se manifiesta. Conocemos muchos tipos de energía y todos son interconvertibles: la energía eléctrica se transforma en calórica en una plancha, por ej., o en luminosa en una lámpara, o en sonora en la radio, etc.
Albert Einstein, el famoso físico alemán (nacionalizado en EEUU después de la persecución nazi y posterior Premio Nobel de la Paz) encontró una relación entre la masa y la Energía que revolucionó la Física clásica –Newtoniana- de su época y permitió la base de muchos de los conocimientos tecnológicos que hoy nos dan una mejor calidad de vida. Se trata de la Física nuclear y su posterior aplicación a la Medicina y sus modernas técnicas de Diagnóstico y Tratamiento por imagen, a la Geología y a la Paleontología con sus técnicas de datación, a la Alimentación con sus técnicas de conservación de alimentos por irradiación, a la Ingeniería electrónica, a la Aeronáutica y a la investigación científica aeroespacial, entre otros campos de aplicación.
El descubrimiento de Einstein hizo avanzar a la Humanidad toda, un gran paso.
Einstein encontró, sin experimentación alguna, sólo por cálculos físico-matemáticos, que la masa y la energía son dos extremos de una misma expresión, vinculados por la velocidad de la luz (elevada al cuadrado). Matemáticamente la Ecuación de Einstein es: E = m . c2 donde c = 300.000 km/seg.= 3.106 km/s
O sea, una partícula de masa m que se mueva a la velocidad de la luz puede entregar una inmensa cantidad de energía. Cada partícula subatómica –un protón, un neutrón- puede transformarse en grandísimas cantidades de energía. Ätomos que tengan muchos neutrones y protones, como el Uranio, pueden ser fuentes de energía. En la década del 40 se vio a esta energía –llamada atómica o nuclear- como la energía del futuro, muy rendidora, limpia, no contaminante ya que no elimina humos negros de combustión como todas las que derivan del petróleo. Más de medio siglo después, la ciencia comprendió el error: los desechos radiactivos que eliminan estas plantas nucleares de electricidad (como la de Atucha, cerca de Zárate, pcia de Bs As) son tan peligrosos como el recalentamiento global que produjeron las otras fuentes convencionales de energía.
La ecuación de Einstein predijo -20 años antes de que la tecnología lo demostrara- que la masa se puede transformar en energía. La pregunta que podemos hacerle a la ciencia actual es si la energía puede transformarse en materia, o sea materializar la energía, algo que también se deduce de la misma ecuación....

Estados de la materia.
La materia se presenta en tres estados físicos o estados de agregación: sólido, líquido y gaseoso, explicándose esto por la distancia entre las partículas.
El estado en que se encuentran los cuerpos depende de la temperatura. La vida cotidiana oscila entre algunos grados Celsius bajo cero (-35 ºC, por ej, en regiones polares) y los 48-50 ºC en los lugares más calurosos del planeta; así, estamos acostumbrados a ver a los cuerpos siempre en un mismo estado físico. A nadie se le ocurriría decir que el hierro es un líquido, sin embargo lo es a temperaturas mayores de su Punto de Fusión (1530 ºC). Sólo el agua es una sustancia que nos resulta familiar en sus tres estados.
Estado Sólido: sus partículas están muy juntas ya que se unen por grandes fuerzas “intermoleculares” [1], que dependen de las uniones químicas que se producen entre ellas (uniones iónicas, covalentes, metálicas). Esto le confiere al sólido forma y volumen propio. No hay espacios “intermoleculares”. Hay sólidos geométricos, o sea con forma cristalina y sólidos amorfos, donde no hay un orden regular de ubicación en el espacio de sus partículas. Las uniones mantienen a las partículas en lugares fijos, y apenas pueden tener movimientos de vibración y de rotación (giran sobre sus ejes), pero no hay desplazamiento. La energía cinética[2] (Ec ) es mínima en este estado, y también el espacio “intermolecular”. Los sólidos son incompresibles (un aumento considerable de la presión no provoca disminución de su volumen). El aumento de temperatura sí puede aumentar el volumen de los sólidos: esto se llama dilatación (a mayor temperatura las partículas se mueven más rápidamente y se separan un poco). El agua es una excepción maravillosa: a menor temperatura ocupa más lugar y por consiguiente disminuye su densidad. Entonces el hielo flota en el agua líquida haciendo una capa superficial en lagos y ríos de zonas frías del planeta, lo que permite que siga viva la fauna y la flora en épocas invernales. (Claro, también es la culpable de que se nos revienten los envases de líquidos que nos olvidamos en el freezer).
Estado líquido: es un estado intermedio entre el sólido y el gaseoso, ya que las partículas están más separadas que en el sólido, pero menos que en el gas. Los líquidos –y los gases- reciben el nombre genérico de fluidos, lo que significa que sus partículas no ocupan posiciones fijas, sino que varían constantemente. Tienen más libertad de movimiento, se trasladan manteniendo un cierto orden. Hay espacio intermolecular. Esto se debe a que tienen fuerzas de cohesión más débiles que en los sólidos, debido al tipo de uniones químicas que presentan entre ellas, pero que las mantienen unidas. La energía cinética es mayor que en los sólidos, debido al movimiento. Se puede medir el volumen de un líquido (1 l, ¾ l, etc) pero su forma se adapta al recipiente que lo contiene, o sea: tienen volumen propio y forma variable. No son compresibles.
Las fuerzas de cohesión son las responsables de muchas propiedades de los líquidos, a saber:
La superficie libre de un líquido es plana y horizontal[3].
En los bordes del recipiente el líquido forma un “menisco” hacia arriba o hacia abajo, dependiendo del líquido y su Tensión superficial (propiedad que demuestra que la superficie libre de un líquido se comporta como una membrana tirante). Ej: el agua forma menisco hacia arriba y el mercurio hacia abajo.
La capilaridad es la propiedad de ascender por tubos finos (si mojan) o descender (si no mojan).
La viscosidad es la resistencia que presentan las partículas de los líquidos de moverse unas sobre otras. Hay líquidos viscosos: mucha resistencia –ej. el aceite- y líquidos poco viscosos: poca resistencia –ej. el agua-.
Estado gaseoso: Las partículas están muy separadas y entre ellas hay vacío absoluto. Están en constante movimiento de expansión, llenando el recipiente, por eso no tienen forma ni volumen propio. Hay grandes espacios intermoleculares.
La energía cinética es la máxima de los tres estados. Las partículas en constante movimiento chocan contra las paredes del recipiente generando la presión. Esta depende de la temperatura.
Las partículas en estado gaseoso se pueden comprimir con cierta facilidad. Por eso, para definir a una cierta cantidad de gas por su volumen, hay que indicar también la presión y la temperatura.
Cambios de estado.
El intervalo de temperaturas dentro del cual una sustancia se encuentra en estado sólido, líquido o gaseoso es muy variable y depende de la sustancia en cuestión. Cada sustancia tiene su temperatura de cambio de estado que, medida a presión normal (1 atm[4] ó 1033 HPa[5]), recibe el nombre de Punto de ...(Fusión, Ebullición, etc).
Cuando un cuerpo pasa de un estado a otro, se dice que sufre un cambio de estado. A continuación se nombran los cambios de estado:
ESTADO LÍQUIDO a ESTADO SÓLIDO: Solidificación
ESTADO SÓLIDO a ESTADO LÍQUIDO: Fusión

ESTADO LÍQUIDO a ESTADO GASEOSO: Vaporización
ESTADOGASEOSO a ESTADO LÍQUIDO: Licuación

ESTADO SÓLIDO a ESTADO GASEOSO: Volatilización
ESTADO GASEOSO a ESTADO SÓLIDO: Sublimación

La Temperatura a la cual un cuerpo solidifica es la misma que aquella en la que el mismo cuerpo funde. Medidas a presión normal se llaman Punto de Solidificación P.S. y Punto de Fusión P.F. (En el caso del agua 0 ºC.)
Mientras ocurre el cambio de estado, la Temp. permanece constante.

La Vaporización puede darse de dos formas distintas: la Evaporación y la Ebullición.
La primera ocurre a cualquier Temp. y las partículas se van separando del líquido por capas, o sea es un fenómeno superficial. La velocidad de evaporación depende de la temperatura externa, de la superficie expuesta y de la naturaleza del líquido (el alcohol evapora rápidamente mientras que el aceite no evapora).
La ebullición ocurre a determinada temperatura, propia de cada sustancia. A presión normal se llama Punto de Ebullición. Comienza en el fondo del recipiente donde se recibe la mayor cantidad de calor, y luego ocurre en toda la masa del líquido.

La Licuación también se da de dos formas distintas, dependiendo de la sustancia en cuestión. Así puede ser Condensación o Licuación propiamente dicha.
Condensación: Es el pasaje de estado gaseoso a estado líquido sólo por enfriamiento o por compresión.
Se trata de sustancias gaseosas con moléculas polares (hay cargas positivas y negativas dentro de la misma molécula) que se van a atraer entre sí como imanes, por sus polos opuestos. Entonces, tendrán tendencia a acercarse cuando se las comprima o cuando se las enfríe (ya que disminuyen su velocidad) pasando de ese modo al estado líquido. A estas sustancias se las llama VAPORES. Por ej. el agua vapor condensa sólo por enfriamiento cuando choca contra las paredes frías.
Licuación propiamente dicha: Es el pasaje de estado gaseoso a estado líquido por enfriamiento y compresión. Esto ocurre sólo con GASES propiamente dichos como el oxígeno (que se usa en los hospitales), el butano (gas licuado de garrafas), el acetileno (el gas para soldadura autógena), etc. Estos gases se licúan en la industria, que los enfría hasta una determinada temperatura propia de cada gas –llamada Temperatura Crítica- y luego se los comprime hasta cierta presión, propia del gas –llamada Presión Crítica-.

NOTAS:
[1] Se debería decir “interpartícula” ya que no siempre se trata de moléculas.
[2] Energía que mide el movimiento de las partículas. Depende de la temperatura.
[3] Por eso no se explica el dibujo de olas en un vaso con agua, como suele verse en los manuales y libros para niños.
[4] atmósferas
[5] HectoPascal