En la vida cotidiana, la materia que nos rodea se nos presenta en sus tres diferentes fases: la líquida, la sólida y la gaseosa. También es conocido por muchos de nosotros los cambios que pueden presentarse entre ellas, por ejemplo solidificar un líquido, derretir un sólido, etc. Todos estos cambios parecen sugerir que de no existir un agente externo que los provoque, la materia se encontraría en una sola fase. Normalmente, si queremos evaporar un líquido hay que calentarlo, a un gas comprimirlo para licuarlo, a un líquido enfriarlo para solidificarlo.

Pero surgen varias preguntas: ¿Por qué ocurren tales fenómenos?, ¿Cuáles son las propiedades de cada una de estas fases en términos de las partículas o entes que constituyen a la materia?. Pues bien a continuación daremos respuesta a dichas cuestiones.

En la antigüedad filósofos griegos hicieron una hipótesis en la cual mencionaban que la materia esta formada por partículas pequeñas indivisibles a las cuales denominaron átomos. En la actualidad dicha hipótesis ha sido plenamente confirmada y hay prueba s de que la materia que nos rodea aparte de estar constituida por átomos hay familias de estos llamadas moléculas.

Cuando examinamos el comportamiento de una muestra de la materia, normalmente nos referimos a una cantidad de ella formada o constituida por un número enorme de átomos o moléculas. Por tanto, se hace necesario establecer relaciones entre las propiedades de un sistema, sea sólido, líquido o sólido  con la presión, la temperatura, la densidad y otros atributos accesibles a nuestros sentidos. Una de las ramas de la fisicoquímica contemporánea que se ocupa de este estudio es la llamada  teoría cinética de la materia.

La teoría cinética es explicada en el siguiente video:

A continuación analizaremos un poco más acerca de dicha teoría.

Postulados de la teoría cinética de la materia.

Los experimentos de Joule demostrando que el calor es una forma de energía hicieron renacer las ideas sostenidas por Bernouilli y en el período entre 1848 y 1898, Joule, Clausius, Maxwell y Boltzmann desarrollaron la teoría cinético-molecular, también llamada teoría cinética de los gases, que se basa en la idea de que todos los gases se comportan de la misma manera en lo referente al movimiento molecular.

En 1905 Einstein aplicó la teoría cinética al movimiento browniano de una partícula pequeña inmersa en un fluido y sus ecuaciones fueron confirmadas por los experimentos de Perrín en 1908, convenciendo de esta forma a los energéticos de la realidad de los átomos. 

Teoría:es una explicación probable de los fenómenos observables, fundamentados en abundantes datos.

La teoría cinética de los gases utiliza una descripción molecular para explicar el comportamiento macroscópico de la materia y se basa en los siguientes postulados:

• 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.

• Las moléculas se encuentran en continuo movimiento. El promedio de la energía cinética de las moléculas depende de la temperatura.

Estas imágenes expresan el movimiento de las moléculas en la materia.       

                           

• 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.

                                                                                                                                                             Esta imagen representa el choque que se da entre las moléculas.

Para los gases:

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

Para los líquidos:

• 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 sólidos

• 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.

Esta imagen expresa la diferencia de espacio intramolecular entre los sólidos, los líquidos y los gases.

Fue tomada de: Manuel González Víctor (2004). Física fundamental. México: Progreso.

La teoría cinética molecular, se encuentra presente en nuestra vida diaria, un ejemplo de ella son los gases encerrados en las cavidades del cuerpo comienzan a expandirse tratando de igualar la presión del gas ambiental, es decir, el aire.Este fenómeno puede producirle molestias. Cuando los gases se encuentran retenidos en lugares tales como las cavidades de la cabeza, detrás del tímpano y en el estómago, pueden producir dolor de cabeza, de oídos o sensación de plenitud abdominal.A unos 2.500 m.  los gases en el cuerpo se expanden en un volumen aproximado a un 20 %, mayor que a nivel terrestre. 

Para más información se puede consultar las siguientes páginas :

http://www.juntadeandalucia.es/averroes/recursos_informaticos/andared02/leyes_gases/tcm.html

http://www.ojocientifico.com/2011/05/16/teoria-cinetica-molecular

Deducción de la temperatura y presión bajo esta teoria

Gracias a la teoría cinética de la materia podemos deducir que la temperatura  varia de acuerdo al estado en el que se encuentra, por ejemplo en el caso del agua si aumentamos la temperatura cuando el agua esta en estado solido, pasara al líquido  y si se sigue aumentando la temperatura alcanzara su punto de ebullición y pasara al estado gaseoso.

         Por lo tanto decimos que al aumentar la temperatura aumenta la velocidad media de las moléculas al igual que aumenta la fuerza con que estas moléculas chocan entre si y con las paredes del recipiente.

        En el Área 2 (Ciencias biológicas y de la salud) la temperatura nos ayuda entre otras cosas:

•  Para una buena crianza de animales de ganado.

•   En incubadoras para bebes.

•  Saber síntomas de algunas enfermedades (dependiendo de algún rango de temperatura ya sea alta o baja).

• Para la creación de diferentes medicamentos, etc.

  También mediante esta teoría (La teoría cinética) podemos deducir que la presión significa ejercer una fuerza sobre una superficie determinada y que en un gas al quitarle presión este tiende a incrementar su masa (Ley de Boyle: al disminuir la presión  aumenta su volumen)  mientras que en líquidos y sólidos la presión altera su masa y volumen.  

El movimiento browniano es el movimiento aleatorio que se observa en algunas partículas microscópicas que se hallan en un medio fluido.

Recibe su nombre en honor al escocés Robert Brown, biólogo y botánico que descubrió éste fenómeno en 1827 y observó que pequeñas partículas de polen se desplazaban en movimientos aleatorios sin razón aparente. En 1785, el mismo fenómeno había sido descrito por Jan Ingenhousz sobre partículas de carbón en alcohol.

Brown pretendía analizar minuciosamente la forma y tamaño de los granos de polen con un microscopio. Pero se encontró con un problema: no paraban de moverse. Se desplazaban erráticamente por el campo de visión.

El movimiento aleatorio de estas partículas se debe a que su superficie es bombardeada incesantemente por las moléculas (átomos) del fluido sometido a una agitación térmica. 

Este vídeo lo obtuvimos de  http://www.youtube.com/watch?v=Eeu6H_AQRek; en donde podemos observar una buena simulación del Movimiento Browniano.

DEDUCCIÓN DE LAS LEYES DE LOS GASES A PARTIR DE LA TEORÍA

LEY DE BOYLE

En el siglo XVII Robert Boyle con ayuda de su colega Robert Hooke investigó el comportamiento de una cantidad fija de gas sometido a diversas presiones, y encontró una relación muy sencilla entre su volumen y su presión: "El volumen (V) de una masa definida de un gas, a temperatura (T) constante, es inversamente proporcional a la presión aplicada (P) sobre él"; la expresión matemática de esta ley es:V=k(1/P), donde k es una constante de proporcionalidad. ó P1 V1 = P2 V2 en esta ecuación, P1 y V1 representan la presión y el volumen originales, respectivamente, y P2 y V2 representan la segunda presión y el segundo volumen. En forma mas gráfica, P V = P V  en general se afirma que el producto de la presion por el volumen, para determinda masa de gas , es constante siempre que la temperatura no cambia en esta imagen podemos observar  un claro ejemplo de la ley  de boyle, en la imagen de la  derecha cuando  el  tímpano es  empujado se dice que el volumen de gas disminuye, aumenta  la densidad, y en  consecuencia también  aumenta la presión. LEY DE CHARLES El físico francés Jacques Charles (1763-1823) descubrió la relación existente entre el volumen y la temperatura de un gas, siempre y cuando su presión se mantenga invariable o constante. Para ello utilizó el mismo diseño empleado 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). Matemáticamente esta ley puede expresarse de la siguiente forma: V=kT donde k es una constante de proporcionalidad; a presión y cantidad de materia (n) constantes. Ahora supongamos que tenemos un cierto volumen de gas V1 que se encuentra a una temperatura T1 al comienzo del experimento. Si variamos el volumen de gas hasta un nuevo valor V2, entonces la temperatura cambiará a T2, y se cumplirá: que es otra manera de expresar la ley de Charles. Esta ley se descubre casi ciento cuarenta años después de la de Boyle debido a que cuando Charles la enunció se encontró con el inconveniente de tener que relacionar el volumen con la temperatura Celsius ya que aún no existía la escala absoluta de temperatura. El siguiente vídeo nos ayudará a entender mediante un experimento la Ley analizada.  Los materiales que ocuparemos serán los siguientes: -Un mechero de alcohol -Un globo -Una Botella -Una tina con agua. Las explicación del experimento se encuentra en la descripción del vídeo. para ver un ejemplo consultar el siguiente link: http://www.educaplus.org/gases/ley_charles.HTML 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. A volumen constante, la presión de una masa fija de un gas dado es directamente proporcional a la temperatura kelvin. La representación matemática de esta ley es: k=P/T ó P=kT, donde k es una constante de proporcionalidad. Para un estado inicial (Pi/Ti=k)y un estado final (Pf/Tf=k), se cumple que: PiTf=Pf/Ti 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: 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. Nos hemos dado a la tarea de comprobar esta ley mediante el siguiente experimento, la explicación de la ley se encuentra en la descripción del video. Para ver otro ejemplo consultar el siguiente link: http://www.educaplus.org/gases/ley_gaylussac.html PRINCIPIO O LEY DE AVOGADRO Este principio sugerido por Avogadro dice que a a iguales temperatura y presión, todos los gases tienen la misma cantidad de moléculas por unidad de volumen. con lo cual podemos deducir que el volumen es directamente proporcional a la cantidad de gas: si aumentamos la cantidad de gas, aumentara el volumen. si disminuimos la cantidad de gas, el volumen disminuye.  LEY COMBINADA La ley general de los gases o ley combinada dice que una masa de gas ocupa un volumen que está determinado por la presión y la temperatura de dicho gas. estudia el comportamiento de una determinada masa de gas si ninguna de esas magnitudes permanece constante. Las dos primeras leyes pueden utilizarse, como se ya se indicó, para averiguar el nuevo volumen que adquiere un gas cuando se modifica su temperatura y su presión, pero no cuando ambas variables lo hacen de manera simultánea. Sin embargo, en la práctica, lo más frecuente es que así suceda. La ley combinada de los gases es una suma de las leyes de Boyle y de Charles, incluso la ley de Gay Lussac. Al final, resulta la ecuación general:

Entonces, como bien ya se mencionó la Ley General de los gases implican las tres siguientes leyes:

Teniendo como Resultado:

Ahora pongamos un ejemplo de la aplicación de esta ley este ejemplo se basará en un proceso que se lleva acabo dentro de nuestro cuerpo.

Dentro del procesos de la respiración, cuando nosotros inhalamos nuestro diafragma, tira hacia abajo, y por tanto el volumen torácico aumenta, pero la presión disminuye, por tanto podríamos decir que la presión en los pulmones es negativa y el aire entra en ellos.

A su vez cuando, el tórax se comprime y diafragma se mueve hacia arriba, entonces la presión torácica aumenta y la presión manométrica en los pulmones ahora será positiva y el aire será expulsado.

Bibliografía:

1. Manuel  González Víctor (2004). Física fundamental. México: Progreso.
2. Hewitt.P.G. fisica conceptual. México. Addison Wesley.
3. Paul G. Hewitt, Física Conceptual, Décima edición, PEARSON EDUCACIÓN, México, 2007, área: ciencias, páginas: 824 
4. Hecht, Eugene. Fundamentos de física. México, Thomson, 2004.
5. W. Sears, Francis et al. Física universitaria volumen 1. México, Pearson, 2004.
6. Giancoli, Douglas C. Física con aplicaciones. México, Pearson Educación, 2006.
7. http://ensenarquimica.galeon.com/aficiones2067982.html
8. http://corinto.pucp.edu.pe/quimicageneral/contenido/521-leyes-de-los-gases-ideales
9. http://multiblog.educacion.navarra.es/lcordonm/files/2011/07/Deducci%C3%B3n-leyes-gases.pdf

Colaboradores de este blog:

Castro Villeda Diego Alfonso
Flores Castillo Luis Fernando
Hernández Vázquez Gabriela
Pérez Urbano Diana Aide
Pérez Valerio Elizabeth

Alumnos de la Escuela Nacional Preparatoria Plantel 7 "Ezequiel A. Chávez"