Magnitudes y unidades

Transcripción

1 1 Estados de agregación de la materia Magnitudes y unidades Magnitud física es toda propiedad de un objeto o de un fenómeno físico o químico que se puede medir. Medir es comparar dos magnitudes de las mismas características, de forma que a una de las cuales se le asigna el papel de unidad. Cantidad es el valor numérico de una magnitud. Una unidad de medida es una magnitud que se elige como patrón de forma arbitraria. Sistema internacional de unidades El avance de la ciencia y de la técnica de los siglos XIX y XX hizo necesario establecer más magnitudes y unidades de las que se utilizaban al idearse el sistema métrico decimal a finales del s. XVIII. Por eso se desarrolló el Sistema Internacional de Unidades SI, que se basa en el uso de siete magnitudes fundamentales, considerando a las demás magnitudes como derivadas. Magnitudes del SI Unidad Símbolo Longitud metro m Masa kilogramo kg Tiempo segundo s temperatura kelvin K Corriente eléctrica amperio A Intensidad luminosa candela cd Cantidad de sustancia Mol mol Una magnitud derivada se expresa en función de dos o más magnitudes fundamentales. Por ejemplo, la densidad es el cociente entre la masa y el volumen. La notación científica El resultado de una medida puede dar lugar a un número muy grande o muy pequeño, que suele ser difícil de leer e incómodo de escribir. En esos casos se recurre a la notación científica que consiste en escribir las cantidades en forma de potencias de 10. Frecuentemente se utilizan los múltiplos y submúltiplos decimales de las unidades del SI, que consisten en prefijos que al acompañar a la cantidad correspondiente AMPARO IBAÑEZ y FERNANDO MOYA para CEPA de COSLADA - NIVEL II - FÍSICA Y QUÍMICA 1

2 indica el factor decimal o la potencia de diez por el que hay que multiplicarla. Múltiplos Prefijo Símbolo Factor decimal Potencia de 10 tera T giga G mega M kilo k hecto h deca da Submúltiplos Prefijo Símbolo Factor decimal Potencia de 10 deci d 0, centi c 0, mili m 0, micro μ 0, nano n 0, pico p 0, Conversión de unidades En general, las magnitudes se expresan en múltiplos o submúltiplos del SI y, a veces, en otras unidades que no son del SI. Por eso resulta necesario, en muchas ocasiones convertir las unidades relacionando unas con otras. Por ejemplo, aplicando la igualdad 1 km = m =10 3 m podemos transformar una distancia expresada en kilómetros a metros: La materia Estados de agregación distancia = 12, 5 km = 12, m = m Todos los cuerpos están formados por materia, cualquiera que sea su forma, tamaño o estado. La materia se sos presenta en tres estados fundamentales de agregación: Sólido: azúcar, sal, hielo... Líquido: alcohol, agua, aceite... Gas: oxígeno, nitrógeno... Propiedades de la materia 2 FÍSICA Y QUÍMICA NIVEL II - AMPARO IBAÑEZ y FERNANDO MOYA para CEPA de COSLADA

3 La materia, en cualesquiera de sus estados, tiene una serie de propiedades características como son la densidad, la dureza, el punto de fusión, la temperatura, el volumen específico (volumen ocupado por la unidad de masa), el punto de ebullición... que no dependen de la cantidad de materia considerada. Se llaman propiedades intensivas. Por otra parte, hay otras propiedades como el volumen o la masa que sí dependen de la cantidad que se tome. Son las propiedades extensivas. La densidad La densidad de un objeto o de una sustancia es la masa contenida en un volumen determinado de la misma y se expresa mediante la siguiente relación: La unidad de la densidad en el SI es el kg/m 3. d= m V Estados de agregación de la materia Las distintas clases de materia o sustancias se pueden presentar en tres estados de agregación o estados físicos diferentes: SÓLIDO, LÍQUIDO y GAS. La materia tiene la capacidad de cambiar de estado, de modo que una misma sustancia se puede encontrar en la naturaleza en los tres estados de agregación. Por ejemplo, el agua puede estar en forma de agua líquida, como vapor de agua o hielo dependiendo de las condiciones de presión y de temperatura. Dependiendo de la temperatura y la presión, una misma sustancia se puede encontrar en uno u otro estado de agregación. Temperatura La temperatura de un sistema material es una propiedad física directamente relacionada con la agitación de las partículas que componen dicho sistema. Cuanto mayor es la agitación más elevada es la temperatura del sistema, independientemente del número de partículas que contenga. La temperatura se mide mediante un instrumento que se llama termómetro. La escala de temperatura más usada es la Celsius (ºC), aunque en el SI se utiliza la escala Kelvin de forma que: Presión T(K)=t(ºC)+273 La presión es una propiedad que sirve para determinar el efecto de una fuerza o interacción sobre la superficie de un sistema material. La unidad de presión más utilizada es la atmósfera (atm). La teoría cinética El comportamiento de la materia se explica actualmente con la teoría cinética basada en los siguientes supuestos: La materia está compuesta por partículas muy pequeñas (átomos, moléculas, iones...) en continuo movimiento, existiendo un espacio vacío entre ellas. AMPARO IBAÑEZ y FERNANDO MOYA para CEPA de COSLADA - NIVEL II - FÍSICA Y QUÍMICA 3

4 La energía cinética de las partículas aumenta al aumentar la temperatura. Las partículas se mueven en todas las direcciones. En el caso de un gas chocan continuamente entre ellas y con las paredes del recipiente que lo contiene. La cantidad de choques que por unidad de tiempo se producen sobre las paredes del recipiente está relacionado con la presión (a mayor número de choques, más presión se ejerce sobre las paredes del recipiente). En el estado sólido, las partículas se encuentran unidas por grandes fuerzas que las mantienen unidas a distancias relativamente pequeñas. El movimiento de las partículas se limita a ser de vibración, sin que se puedan desplazar. Conforme aumenta la temperatura, la amplitud de la vibración de las partículas se hace mayor por lo que el sólido se dilata. En el estado líquido las fuerzas entre las partículas son más débiles que en el sólido lo que implica que éstas tengan libertad de movimiento, así las partículas están dotadas de movimientos de vibración, rotación y traslación. No obstante, las partículas aún se mantienen cercanas unas a otras. Por eso los líquidos adoptan la forma del recipiente que los contiene pero ocupan un volumen fijo. Otra propiedad de los líquidos, que comparten con los gases, es que pueden fluir. En el estado gaseoso las fuerzas entre las partículas son prácticamente nulas y éstas se pueden mover libremente y la distancia entre ellas es mucho mayor que en los estados sólido y liquido. Por ello, las partículas de los gases ocupan todo el volumen disponible del recipiente. Un gran éxito de la teoría cinética es que explica las leyes empíricas del comportamiento de los gases, la de Boyle-Mariotte y las dos leyes de Gay-Lussac, al relacionar la presión del gas con los choques entre partículas y entre partículas y las paredes del recipiente, y la temperatura, con la agitación de las partículas. A mayor volumen ocupado por el gas, menor presión (menor número de choques) y a mayor temperatura (mayor agitación) mayor es el volumen ocupado por el gas. Ley de Boyle-Mariotte A temperatura constante, para una misma masa de gas y en dos condiciones distintas mostradas con los subíndices 1 y 2, el volumen ocupado es inversamente proporcional a la presión: 1ª ley de Gay-Lussac p 1 V 1 = p 2 V 2 Si la presión permanece constante, el volumen de una masa fija de gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta: 2ª Ley de Gay-Lussac V 1 T 1 = V 2 T 2 Si el volumen permanece constante, la presión de una masa fija de gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta: p 1 = p 2 T 1 T 2 La difusión 4 FÍSICA Y QUÍMICA NIVEL II - AMPARO IBAÑEZ y FERNANDO MOYA para CEPA de COSLADA

5 Otro de los fenómenos físicos que con mayor claridad explica la teoría cinético-molecular es la difusión. Cuando ponemos en contacto dos fluidos o un sólido soluble en un líquido, éstos acaban mezclados al cabo de cierto tiempo de forma espontánea. La experiencia nos demuestra que cuando abrimos un frasco de perfume o de cualquier otro líquido volátil, podemos olerlo rápidamente en un recinto cerrado. Decimos que las partículas del líquido, después de evaporarse, se difunden por el aire, distribuyéndose en todo el espacio circundante. Lo mismo ocurre si colocamos un terrón de azúcar en un vaso de agua, las partículas de azúcar se difunden por todo el agua (a este proceso se le llama disolución). Los cambios de estado Son los cambios físicos más importantes que ocurren en la naturaleza. Todo cambio de estado está condicionado por los valores de la presión y la temperatura. Cambio de estado es el proceso que tiene lugar cuando una sustancia material pasa de un estado de agregación a otro diferente. Son los siguientes: Fusión es el cambio de estado de sólido a líquido y solidificación es el inverso. Vaporización es el cambio de estado de líquido a gas y licuación o condensación es el cambio inverso. Sublimación es el cambio de sólido a gas y el cambio inverso recibe el nombre de sublimación regresiva o inversa. La teoría cinético-molecular explica por qué tienen lugar los cambios de estado. Cualquiera que sea el estado de agregación, las partículas de una sustancia siempre están moviéndose. En un sólido vibran y cuando reciben energía en forma de calor aumenta la energía de las vibraciones con lo que aumenta la temperatura. De esta forma, llegará un momento en el que la energía de la vibración es tan alta que vence las fuerzas que mantienen unidas las partículas y se produce el paso al estado líquido. Un mayor aporte de energía vuelve a repercutir en un aumento de la agitación de las partículas hasta que la energía de este movimiento es tan grande que pueden escaparse del seno del líquido, convirtiéndose en gas. Durante el cambio de estado, la temperatura de la sustancia permanece constante. AMPARO IBAÑEZ y FERNANDO MOYA para CEPA de COSLADA - NIVEL II - FÍSICA Y QUÍMICA 5