Interpretación cinética de la temperatura, la presión y los cambios de estado

¿Sabías que el cero absoluto se corresponde con la temperatura de -273.15 ºC? Por ello, la relación entre grados Celsius y la temperatura absoluta, que se mide en Kelvin es:

T(K) = T(ºC) + 273.15

Las partículas de cualquier gas se mueven aleatoriamente en todas las direcciones con una velocidad media determinada. Cualquier cuerpo o partícula que se mueva a cualquier velocidad posee energía cinética.  Como resultado, las partículas adquieren una energía cinética media que es proporcional a la temperatura absoluta (en Kelvin). 

A menor velocidad de las partículas, menor energía cinética y menor temperatura absoluta. Al aumentar la velocidad de las partículas, aumenta la energía cinética y por tanto la temperatura. 

Por otra parte, según la teoría cinético molecular, la presión de un gas es el resultado de las colisiones de sus partículas contra las paredes del recipiente que las contiene. Al aumentar la temperatura, la energía cinética aumenta, al igual que la velocidad y la frecuencia de las colisiones. Como resultado, aumenta también la presión. De forma análoga, si baja la temperatura, disminuye la fuerza de las colisiones y disminuye la presión. 

Al disminuir el volumen del recipiente donde se encuentra el gas, aumenta la frecuencia con que las partículas chocan contra las paredes, aumentando por ello la presión. Al contrario, si aumentamos el volumen, la frecuencia de las colisiones disminuye. 

¿Te atreves ahora a explicar por qué si tenemos un gas encerrado en una jeringuilla inicialmente el gas ocupa 50 ml pero tras meter la jeringuilla en un frigorífico durante media hora, observamos que el volumen del gas ha disminuido hasta 30 ml? 

Los cambios de estado de la materia

La materia se puede presentar en la naturaleza en un estado u otro dependiendo de las condiciones en las que se encuentre. Los cambios de estado son procesos físicos que se producen cuando una sustancia pasa de un estado de agregación a otro diferente. 

Cada uno de los cambios de estado tiene un nombre específico. En unos casos se absorbe calor (fusión y vaporización) y en otros se desprende calor (condensación y solidificación). 

A la temperatura a la que un sólido se transforma en líquido, o a la inversa, se la denomina punto de fusión. Cuando el cambio es de líquido a gas, o a la inversa, se llama punto de ebullición. Las dos magnitudes son características para cada sustancia y se pueden utilizar para identificarlas, como se muestra en la siguiente tabla:

Proceso de ebullición y de evaporación

En la vaporización hay que diferenciar entre la ebullición, que es el cambio de estado de líquido a gas que ocurre en toda la masa del líquido, y la evaporación, que se produce solo en la superficie del líquido y a cualquier temperatura (inferior a la de ebullición). Esto explica por qué, al cabo de un tiempo, un vaso lleno de agua a temperatura ambiente disminuye de nivel. 

Ya sabes un poquito más de los cambios de estado de la materia... ¿Continuamos? 

El movimiento browniano y el origen de la teoría cinético-molecular

En 1827 el botánico escocés Robert Brown, que se encontraba investigando una suspensión de partículas de polen en una solución acuosa, observó al microscopi que dichas partículas tenían un movimiento caótico e incesante. 

Al principio se pensó que este movimiento podía deberse al polen vivo, pero se observó que los granos de polen que habían sido conservados durante siglos también se movían de la misma forma y las motas de polvo suspendidas en el aire tenían un comportamiento similar. 

En 1905 Einstein publicó un artículo titulado "Sobre el movimiento requerido por la teoría cinético molecular del calor de pequeñas partículas suspendidas en un líquido estacionario en el que, por métodos estadísticos, obtuvo una ecuación que representaba el movimiento de las moléculas de agua golpeando a los granos de polen o a cualquier otro pequeño cuerpo. 

Resulta sorprende que en esta ecuación figurara el tamaño de la molécula del agua, ya que por entonces aún había científicos que no creían en la existencia real de los átomos y moléculas y sólo los consideraban ficciones teóricas útiles para comprender las reacciones químicas. 

En este trabajo, Einstein no sólo explicaba el movimiento browniano, sino que proporcionaba una evidencia experimental de la existencia de los átomos y daba un considerable impulso a los estudios de mecánica estadística y a la propia teoría cinética de los fluidos, que por aquél entonces se encontraban inmersas en importantes controversias. 

Para poder explicar el movimiento browniano y otras propiedades de la materia, en el siglo XIX surgió la teoría cinético-molecular basada en varios postulados: 

1. La materia está formada por partículas muy pequeñas entre las que existe el vacío. La materia no es continua en el espacio, se dice que es discontinua. 
2. Las partículas se encuentran en continuo movimiento. Al aumentar la temperatura, aumenta la velocidad y la energía cinética de las partículas. 
3. Existen fuerzas de atracción (o de cohesión) entre las partículas que las mantiene unidas. Al aumentar la distancia entre las partículas, disminuye dicha fuerza. 

En el siguiente vídeo podéis ver un claro ejemplo del movimiento browniano y el efecto que produce la temperatura en el mismo. 

La densidad, una propiedad característica de la materia

¿Qué pesa más, 1 kg de plomo o 1 kg de plumas? 

¡Los dos pesan igual; porque la masa es la misma en ambos casos. Coloquialmente se suele decir que el plomo es "muy pesado" y que la pluma es "muy ligera", cuando lo que se quieres expresar es una propiedad que indica la cantidad de masa por unidad de volumen, es decir la densidad. 

La densidad es una propiedad característica de la materia y su valor no depende de la cantidad de materia, solamente de la naturaleza de las sustancias. En el sistema internacional se mide en kg/m ˆ3.

Hay sustancias que tienen más átomos por unidad de volumen que otros, en consecuencia tienen más gramos, o kilogramos por unidad de volumen. Por lo tanto, hay sustancias que tienen más densidad que otros. 

La densidad del agua, por ejemplo, es de 1 g/cm^3. Esto significa, que si tomamos  un cubo de 1 cm de lado y lo llenamos de agua, el agua contenida en dicho cubo tendrá una masa de un gramo. 

En cambio, el mercurio que es más denso que el agua, tiene una densidad de 13,6 g/cm^3. Esto significa que en un cubo de 1 cm de lado lleno con mercurio se tiene una masa de 13,6 gramos. 

Generalmente los sólidos tienen mayor densidad que los líquidos, y estos últimos más que los gases. Es por el hecho de que en un gas las partículas que lo forman están menos cohesionadas, en términos vulgares significa que están más separadas. En los líquidos hay mayor cohesión y en los sólidos ya es mayor aún. 

Cuarto estado de agregación: El Plasma.

¿Conoces qué es el plasma?

Cómo ya hemos visto en clase, aunque se habla normalmente de tres estados de agregación (sólido, líquido o gaseoso), existe un cuarto estado: el plasma. Es el estado en el que se encuentra la mayoría de la materia que forman las estrellas. En el plasma, las partículas tienen carga eléctrica y se mueven a gran velocidad, como si fuera un gas. 

Los átomos normalmente están en estado neutro: la carga positiva del núcleo es igual a la carga negativa de los electrones.

La agitación de un gas aumenta cuando absorbe calor. Si el calor absorbido es suficiente, los electrones de los átomos son arrancados y la  materia queda ionizada, diciéndose que está en estado de plasma.

Es plasma todo gas incandescente formado por átomos (a veces moléculas) convertidos en iones positivos y electrones negativos, y todo en continua agitación. Dentro de ese gas pueden quedar también algunos átomos y moléculas sin ionizar (partículas neutras).

Ejemplos de plasma a nuestro alrededor son los siguientes: 

• Algunas zonas de las llamas
• El gas de los tubos fluorescentes
• El aire que se encuentra en el recorrido de un rayo. 
• La materia que forma las estrellas. 

La física de plasma puede encontrar aplicación en las siguientes áreas: 

• Descargas de gas (electrónica gaseosa). 
• Fusión termonuclear controlada. 
• Física del espacio. 
• Astrofísica moderna. 
• Conversión de energía de MHD (magnetohidrodinámica) y propulsión iónica. 
• Plasmas de estado sólido. 
• Láseres de gas. 

Cambios en el estado de la materia.

Siempre que un cuerpo que por acción de calor o frío pasa de un estado a otro, decimos que ha cambiado de estado. 

Por ejemplo, para el caso del agua, cuando hace mucho calor, el hielo se derrite y si calentamos agua líquida vemos que se evapora. Para todo el resto de sustancias también pueden cambiar de estado si se modifican las condiciones en las que están en ese momento. 

Pero no sólo influye la temperatura, también lo hace la presión. 

Al calentar un sólido (por ejemplo unos cubitos de hielo), llega un momento en que se transformará en líquido. Este proceso recibe el nombre de fusión. El punto de fusión es la temperatura que debe de alcanzar una sustancia sólida para fundirse. 

Cada sustancia posee su punto de fusión característico (el punto de fusión del agua pura es de 0ºC a la presión atmosférica normal). 

Todos hemos calentado alguna vez un líquido. ¿Qué ocurre? Pues que se transforma en gas, este proceso recibe el nombre de vaporización. Cuando la vaporización tiene lugar en toda la masa de líquido formándose burbujas de vapor en su interior, se denomina ebullición. También la temperatura de ebullición es característica de cada sustancia y se denomina punto de ebullición. El punto de ebullición del agua es 100ºC a la presión atmosférica normal. 

Para ver esto de una forma más entretenida os traigo una simulación, si presionas el botón de encendido podrás verlo de una forma mucho más clara. Para llegar a ello tienes que pinchar en la columna de la izquierda en "Estados" y luego en "Cambios". (Ver en la foto siguiente)

Simulación cambio de estado

¿Qué diferencias más significativas observas en los tres estados de la materia? 

¿Te atreves a completar las principales características que observas? 

Una clase diferente con Kahoot

Algunos de vosotros ya lo conoceréis pero este post va destinado tanto a profesores, para darlo a conocer, como a alumnos para que aprendan a utilizarlo. Muchos os preguntaréis de qué se trata, pues es una de esas aplicaciones que pueden llegar a ser de gran ayuda en el cambio de metodologías en el aula. 

Se trata de Kahoot, un sistema de respuesta basado en el juego, con el que se obtiene feedback de nuestro alumnos en tiempo real. Nadie mejor que sus creadores para describirla:

Kahoot es una plataforma de aprendizaje mixto basado en el juego, permitiendo a los educadores y estudiantes investigar, crear, colaborar y compartir conocimientos. Se ofrece a los estudiantes una voz en el aula, y permite a los educadores que se dediquen y centren sus estudiantes a través del juego y la creatividad. Kahoot instiga experiencias como ésta y trabaja a través de dispositivos móviles. Sin embargo, hay un elemento social. Estamos alentando el intercambio (y colaboración) de grandes concursos, debates y encuestas. Nuestra filosofía y la visión es que la gente de todo el mundo deben compartir su contenido educativo para que otros jueguen en las aulas de todo el mundo. Este intercambio debe ocurrir dentro del mismo Kahoot o en las redes sociales como Facebook, Twitter y Pinterest. Internet permite esta colaboración, y la alentamos activamente. 

En el siguiente vídeo puedes ver cómo comenzar este aventura:

Kahoot es por tanto un sistema de respuesta con el cual se pueden crear cuestionarios, encuestas y discusiones. Pero los creadores no solo han pensado en la pedagogía unidireccional en la que el docente cree preguntas y los alumnos se limiten a contestar en tiempo real, compitiendo entre sí (de ahí el aprendizaje basado en el juego), sino que buscan una pedagogía más activa por parte del alumnado.