Teoría cinética molecular

Esta teoría ayuda a entender el comportamiento de la materia a nivel molecular cuando está sujeta a ganancia o pérdida de calor, a medir el calor y sus efectos (por ejemplo, la dilatación de los cuerpos), los cambios de fase, las escalas de temperatura.

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B@UNAM

Teoría cinética molecular

Has visto que la energía se conserva siempre y que lo único que hace es transformarse. Pero, ¿qué es la energía calorífica?

¿Alguna vez te has preguntado por qué un charco desaparece después de estar expuesto un rato al Sol, o a veces sin que esté presente éste? ¿O por qué en los meses de mayo, junio y julio hay lluvias y aparecen huracanes (no en otras épocas del año)?

Seguramente has observado muchos efectos del calor a tu alrededor. Por ejemplo, cuando alguna puerta o ventana de tu casa ha estado expuesta a los rayos del Sol has notado cómo cuesta trabajo cerrarla, necesitas hacer más fuerza, o incluso en ocasiones no es posible cerrarla. Otro hecho interesante es que espontáneamente se sale la tinta de una pluma y mancha una camisa por el aumento de la temperatura.

Para explicar lo anterior es necesario que entiendas lo que provoca el calor en el interior de los cuerpos.

Resulta que los científicos descubrieron que las cosas están formadas de partículas pequeñas: moléculas y átomos.

¿Cómo puedes darte cuenta de que la materia está compuesta de moléculas? Piensa en alguna forma que te permita detectar directa o indirectamente que los cuerpos están hechos de partículas pequeñas.

Tal vez te preguntas qué es la teoría cinética molecular y qué relación tiene con el tema de la energía. Esta teoría ayuda a entender el comportamiento de la materia a nivel molecular cuando está sujeta a ganancia o pérdida de calor, a medir el calor y sus efectos (por ejemplo, la dilatación de los cuerpos), los cambios de fase, las escalas de temperatura.

A simple vista no puedes ver el movimiento de las moléculas, pero puedes hacerlo de manera indirecta. Si espolvoreas un poco de polen, talco o almidón en la superficie de un líquido, verás que empieza a moverse, debido a que las moléculas de agua (que están moviéndose siempre) chocan con el polen, talco o almidón y le transmiten su energía cinética.

Un indicio de la existencia de las moléculas en continuo movimiento aleatorio lo dio la observación que hizo Robert Brown en el año de 1827, del movimiento que presentaban partículas de polen sobre una solución acuosa. A ese movimiento se le dio el nombre de movimiento browniano. En el siguiente video puedes ver dicho fenómeno.

¿Alguna vez has visto un hecho parecido? Son sólo partículas que se mueven en todas direcciones porque chocan con las moléculas de aire que tienen un movimiento aleatorio.

En el aire y en el agua las moléculas están moviéndose todo el tiempo porque almacenan energía cinética. Además, por la posición que ocupan, también almacenan energía potencial. A la suma de los diferentes tipos de energía que se almacenan dentro de un cuerpo se le conoce como energía interna (se abrevia con la letra U).

Todos los cuerpos almacenan energía interna, pero sólo una parte de esta energía (la que se debe a la agitación de las moléculas) corresponde a la térmica o calorífica.

Dependiendo de cuánto se muevan las moléculas y de qué tan cerca estén unas de otras, habrá un sólido, un líquido o un gas.

Si quieres aprender más sobre el movimiento browniano revisa el siguiente recurso.

http://objetos.unam.mx/fisica/movimientoBrowniano/index.html

La materia sufre cambios cuando aumenta mucho su temperatura o cuando baja. Cuando aumenta mucho las moléculas que la forman (átomos) se dividen en electrones y núcleos atómicos, lo que da como resultado la forma física de la materia que se conoce con el nombre de plasma. Para que tengas una idea, el plasma es la sustancia que se genera dentro de los tubos fluorescentes que alumbran los salones de clase o las oficinas. Además de sólido, líquido y gas existe el estado de agregación de la materia llamado plasma y existe un quinto estado llamado condensado de Bose-Einstein.

Los químicos y los físicos afirman que la materia está compuesta de pequeñas partículas (moléculas) que se encuentran a una cierta distancia unas de otras y que siempre están en movimiento, ya sea vibrando o desplazándose. Los espacios entre las moléculas dependen del estado de cohesión (fuerzas eléctricas), es decir, del estado en que se encuentre la materia. La distancia entre moléculas es mayor en el estado gaseoso que en el estado líquido, y es mayor en el estado líquido que en el estado sólido.

Temperatura

La teoría cinética molecular establece que la materia está compuesta de moléculas en constante movimiento y que cuando se le suministra calor, el movimiento de aquéllas aumenta en función de la temperatura.

La temperatura se mide con los termómetros y se define como es la energía cinética promedio de las moléculas de un cuerpo. Si tomas como ejemplo al agua, ¿de qué depende que ésta sea hielo, líquido o vapor?

Cuando el agua está muy fría se transforma en hielo; si lo calientas, el hielo se derrite y se transforma en líquido; si lo calientas aún más, pasa al estado gaseoso (vapor). El estado físico depende de la temperatura.

¿Qué pasa si aumenta muchísimo la temperatura de un cuerpo? Pues llega al estado de la materia ya mencionado: plasma.

¿Qué pasa si disminuye demasiado la temperatura de un cuerpo? Los científicos han logrado acercarse mucho al cero absoluto, pero no han conseguido llegar a esta temperatura. A temperaturas cercanas al cero absoluto, la energía cinética de las moléculas es prácticamente nula.

Se ha comprobado que a esta bajísima temperatura el gas helio no se convierte en sólido como se esperaría, sino que sigue siendo líquido, aunque presenta un comportamiento extraño: es tan fluido que si lo pones en un recipiente es capaz de salirse trepando por las paredes. Este comportamiento todavía sigue investigándose y se le conoce como condensado de Bose-Einstein en honor a los dos científicos que predijeron tal comportamiento de la materia. A diferencia de los otros estados, éste no se encuentra en la vida cotidiana.

Dilatación

Puedes observar el aumento de la energía cinética de las moléculas en el aumento de volumen que sufren los cuerpos cuando reciben calor. A este fenómeno se le llama dilatación.

Los termómetros que conoces, ya sean de laboratorio o clínicos, están conformados por tubos capilares cerrados muy delgados con un vacío y un volumen pequeño de mercurio, de tal manera que cuando reciben calor la dilatación se observa con facilidad.

Sabías que...

Galileo fue el primero en construir un termómetro de agua y sin escala.

Tienen una escala que está definida a partir de dos puntos notables:

  • La temperatura de congelación del agua
  • La temperatura de ebullición del agua

Las elevaciones del mercurio se registran entre esos dos puntos y se divide el espacio en 100 partes pequeñas, lo que define los grados centígrados. Sin embargo, estarás de acuerdo en que el termómetro podría contener otro tipo de líquido (como alcohol o agua) en lugar de mercurio.

Para identificar las ventajas de un termómetro debes tomar en cuenta dos temperaturas de referencia de una sustancia. Se selecciona la temperatura de fusión o congelación y la temperatura de ebullición del agua debido a su abundancia en el planeta y a que éstas son fáciles de reproducir en cualquier parte a nivel del mar.

También debes tomar en cuenta la densidad del líquido para determinar el tamaño del termómetro. La fuerza de gravedad juega un papel importante para que un líquido se mantenga como tal dentro de un recipiente; ésta equivale a lo que comúnmente conoces como el peso de un cuerpo. El peso ayuda a que las fuerzas de cohesión dominen otro tipo de fuerzas, como las de adherencia o de repulsión.

Si observas el mercurio en un tubo delgado verás su superficie abombada en la parte central. En cambio, si observas la superficie del agua en el mismo tubo verás que está curvada hacia abajo, los extremos de la superficie están hacia arriba adheridos a la pared del tubo, en este caso dominan las fuerzas de adherencia sobre las de cohesión.

Las fuerzas de cohesión se dan entre moléculas de la misma sustancia, mientras que las fuerzas de adherencia se dan entre moléculas de diferentes sustancias.

Sabías que...

El mercurio es el único metal en estado líquido a temperatura ambiente.

Un líquido pesado como el mercurio requiere más energía calorífica para vencer las fuerzas de cohesión que un líquido menos pesado como el agua, cuyas fuerzas de cohesión son más débiles. Se puede afirmar que el agua es más sensible al calor que el mercurio. Recuerda que es el único metal líquido a temperatura ambiente, los demás son sólidos (el oro, la plata, el cobre).

Si sustituyeras el mercurio por agua en un termómetro, sabiendo que la densidad del mercurio es aproximadamente 13 veces mayor que la del agua, requerirías un tubo de vidrio 13 veces más grande. Entre más ligera es la sustancia, su incremento de volumen es mayor, puesto que las fuerzas de cohesión son débiles. Esta característica queda definida por su densidad.

SustanciaDensidad
$\frac{g}{cm^3}$$\frac{kg}{m^3}$
Alcohol0.79790
Gasolina0.68680
Mercurio13.613,600
Agua1.01000
Aire0.001291.29

Tabla de densidad de algunos cuerpos.

Todos los cuerpos pueden dilatarse, sólo que lo hacen en menor o mayor grado. Esto depende de sus características físicas.

Otro hecho que explica la teoría cinética molecular son los cambios de estado físico. Por ejemplo, al suministrar calor a un trozo de hielo o a un pedazo de parafina sólida las moléculas comienzan a vibrar (energía cinética) a tal grado que logran separarse unas de otras (cambio de densidad), vencen las fuerzas de cohesión y los materiales pasan al estado líquido. A este proceso se le llama fusión. Si se continuara suministrando calor a esos líquidos, las moléculas tendrían la energía suficiente para escapar, entonces pasarían al estado gaseoso (evaporación).

La función de un termómetro es medir qué tan rápido se mueven las moléculas de un objeto o sustancia. Si compararas las temperaturas de un iceberg y una taza con agua hirviendo es claro que la temperatura del agua sería mayor. Eso hace parecer que la energía cinética de las moléculas del agua caliente en la taza es mucho mayor que la del iceberg.

A veces, “las apariencias engañan”

Si las moléculas de tres cantidades diferentes de volúmenes de agua se mueven con el mismo promedio de energía cinética traslacional, entonces los tres volúmenes poseen la misma temperatura, mientras que el que tiene mayor cantidad de calor (energía interna total) es el que tiene mayor volumen. De acuerdo con lo anterior, ¿qué tiene más energía interna total, un iceberg o una taza de agua hirviendo?

Si tocas el agua de la taza la sientes caliente y te podría dar la impresión de que tiene más energía interna que el iceberg. Sin embargo, la energía interna de un cuerpo (traslación, vibración y rotación) se manifiesta por la agitación que tienen sus moléculas. Las moléculas que componen el hielo se mueven (vibran) poco, pero son tantas que su energía cinética total es mayor que la de las moléculas del agua caliente, que se mueven muy rápido pero son poquísimas comparadas con las del iceberg.

El calor es una energía que se transmite y se añade a la energía interna de las moléculas de los cuerpos en cualquiera de los estados de agregación de la materia. El aumento de la energía interna de los cuerpos puede provocar que se dilaten; si el aumento es grande pueden cambiar de estado físico, es decir, pasar de sólido a líquido o de líquido a gas.

Hay una diferencia entre la temperatura y el calor desde el punto de vista de la energía interna de las moléculas. La temperatura es una propiedad que expresa el grado de agitación de cada una de las moléculas de un cuerpo o sustancia, mientras que la magnitud del calor es proporcional al grado de agitación de las moléculas y también al número de moléculas que posee la sustancia.

Con los conceptos anteriores podrás explicar por qué la tinta de una pluma se llega a derramar al estar cerca de tu cuerpo en un bolsillo. Esto se debe a que la tinta de la pluma es un líquido con cierta viscosidad que cuando recibe calor se dilata y busca salir del pequeño recipiente que lo contiene (popote); encuentra salida en el orificio por donde se escribe e inclusive por la parte superior, cuando el repuesto está muy lleno. La temperatura es la medida de la energía cinética promedio de traslación por molécula de una sustancia, mientras que el calor es la energía en tránsito de un sistema a otro debido a una diferencia de temperatura.

Autoevaluación

Contesta las siguientes preguntas:

  1. 1. ¿Que relación tiene la temperatura y la presión de un gas?

2. Un globo tiene gas en su interior. si la temperatura no cambia y disminuimos el volumen de gas, la presión sobre las paredes del globo aumenta o disminuye?

done Evaluar

3. Construye un termómetro casero. Lava bien una botella vacía de alguna bebida gaseosa. Llena un tercio de la misma con agua con unas gotas de colorante. Colócale la tapa y hazle un orificio con la punta de un bolígrafo en donde pueda entrar un popote hasta que quede sumergido en el líquido pero sin tocar el fondo. Finalmente sella la unión entre el popote y la tapa con plastilina procurando que impida la entrada de aire.

Coloca tus manos sobre la botella. ¿Que sucede?

RESPUESTA

4. Ahora introduce la botella en un recipiente con agua caliente (que no queme!) Que sucede?

RESPUESTA

5. A que se debe lo anterior?

RESPUESTA
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