PROPIEDADES DE LOS SISTEMAS MATERIALES. MASA Y VOLUMEN


La materia: sistemas materiales y sustancias

Materia es todo lo que tiene masa y ocupa un volumen en el espacio.
Un cuerpo o sistema material es una porción de materia: un trozo de roca, el vino que hay en una copa, el aire que llena un globo, ...
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Las sustancias son los diferentes tipos de materia que constituyen los cuerpos o sistemas materiales: el carbonato de calcio componente mayoritario de una roca caliza, el agua que hay en el vino, el alcohol que hay en el vino, el oxígeno que hay en el aire, el nitrógeno que hay en el aire, ...

LA MATERIA PUEDE PRESENTARSE EN TRES ESTADOS¿tienen masa y ocupan volumen los sólidos? ¿y los líquidos? ¿y los gases?
PROPIEDADES GENERALES DE LA MATERIA
Los sistemas materiales tienen dos propiedades generales...
SÓLIDOS
LÍQUIDOS
GASES
MASA
  • Se mide con la balanza.
  • Indica la cantidad de materia de un sistema material.
  • La unidad de masa en el S.I. es el kilogramo.
Con una balanza puede comprobarse fácilmente que los sólidos tienen masa
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La masa del sólido es de 58,93 g
Con una balanza puede comprobarse fácilmenteque los líquidos tienen masa.

Masa_de_un_líquido.png
Con una balanza puede comprobarse fácilmenteque los gases tienen masa.
Masa_de_un_gas.png
VOLUMEN
  • Corresponde a la extensión de un cuerpo en el espacio.
  • El volumen ocupado por un sistema material no puede ser ocupado simultáneamente por otro.
  • La unidad de volumen en el S.I. es el metro cúbico.
¿Qué sucede cuando sumergimos un sólido en un líquido?
inmersión_sólido.png
Si introducimos una canica en un vaso con agua, el nivel del agua sube.Esto demuestra que los sólidos y los líquidos ocupan volumen en el espacio: el volumen que ocupa el agua no puede ser ocupado simultáneamente por la canica, por eso la canica desaloja agua para poder entrar en el vaso.
¿Qué sucede cuando un gas se introduce en un líquido?gases_volumen.png
Si el aire de un globo se introduce en un tubo con agua, el nivel del agua en el tubo desciende. Esto demuestra que los gases ocupan volumen en el espacio: el volumen que ocupa el aire no puede ser ocupado simultáneamente por el agua, por eso el aire desaloja agua (que pasa al vaso) para poder entrar en el tubo.

LOS SÓLIDOS, LÍQUIDOS Y GASES SON MATERIA PORQUE TIENEN MASA Y OCUPAN VOLUMEN

Medida de volúmenes de sólidos

Método de inmersión

Se utiliza una probeta llena de agua hasta una determinada marca.

En el agua se sumerge el sólido al que mediremos el volumen.

El agua sube de nivel: la diferencia entre la marca de volumen alcanzada tras sumergir el sólido y la marca de volumen inicial es el volumen del sólido.

Determinación_Volumen_de_un_sólido.png
Cálculo indirecto de volumen usando fórmulas geométricas para sólidos regulares

volumenes.png
Banco imágenes CNICE


Medida de volúmenes de líquidos

Instrumentos de medida de volumen de líquidos

Para medir el volumen de un líquido pueden utilizarse instrumentos como...
Probeta graduada
Probetas.png
Banco de imágenes CNICE


Consta de un tubo de vidrio con una escala graduada que permite medir el volumen de líquido según la altura alcanzada.
Matraz aforado
Matraz.png
Banco de imágenes CNICE


Está diseñado para realizar una única medida de
volumen (no tiene escala graduada). La única
marca en el cuello indica el nivel al que debe llegar el líquido para que su volumen sea el correspondiente a la capacidad del matraz.

Medida de volúmenes de gases

El volumen de un gas se mide haciéndole burbujear en un tubo dentro de un líquido.
Medida indirecta (volumen de agua desalojada por el gas)

Volumen_de_gases.JPG
El gas burbujea en el tubo y desaloja agua que es recogida en el vaso.
Midiendo con una probeta el volumen de agua del vaso conoceremos el volumen del gas recogido en el tubo (el volumen de gas que entra al tubo coincide con el volumen de agua desalojada).
Vídeo
Medida directaPuede hacerse burbujear el gas en el interior de un tubo graduado con agua. El nivel del agua desciende en el tubo graduado. Puede medirse directamente el volumen de gas que entra en el tubo graduado.

Medida_directa_del_volumen_de_un_gas.png

Cambio de unidades de masa y de volumen



Cambios de unidades de masa y volumen con factores de conversión. Ejercicios


¿CÓMO PODEMOS RECONOCER DE QUE SUSTANCIA ESTÁ CONSTITUIDO UN CUERPO?
La masa y el volumen son propiedades generales de la materia que todos los cuerpos poseen. Conocer qué masa tiene un cuerpo o qué volumen ocupa no nos permite identificar de qué sustancia está compuesto.
Para identificar de qué sustancia está constituido un cuerpo se utilizan las propiedades específicas de la materia (densidad, temperatura de fusión, temperatura de ebullición, ...). Cada sustancia tiene un valor propio, diferente al que tienen el resto de sustancias, para cada una de estas propiedades, por lo tanto, determinando la densidad, la temperatura de fusión,... de una sustancia podremos saber qué sustancia es.
Así por ejemplo, un líquido incoloro con densidad de 1000 kg/m3 y con temperatura de ebullición de 100 ºC es agua mientras que otro líquido incoloro con menor densidad y que hierve a 78,4ºC es alcohol etílico.



LA DENSIDAD DE LOS CUERPOS


La densidad es una propiedad específica de cada sustancia que corresponde a la cantidad de masa por cada unidad de volumen de dicha sustancia.
densidades.png
Definición y ejemplos de valores de densidades para algunas sustancias

Determinación de densidades y cambio de unidades de densidad utilizando factores de conversión

Cambios de unidades de densidad. Ejercicios



ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA. CAMBIOS DE ESTADO

Características de sólidos, líquidos y gases

Características de S, L y G.png


Cambios de estado

Cambios de estado.png

Cambios de estado
PROGRESIVOS


Los cambios de estado que se producen cuando un sistema material absorbe calor se denominan cambios de estado progresivos. Son cambios de estado progresivos los indicados en color rojo en el esquema anterior.
FUSIÓN
Un cubito de hielo absorbe calor del agua y la enfría. El cubito acaba
fundiéndose.

Hielo en agua.jpg

La FUSIÓN es un cambio de estado progresivo porque sucede absorbiendo calor.
VAPORIZACIÓN
El agua de un cazo puede hervir mientras es calentada. La ebullición sucede manteniendo la temperatura constante a 100ºC durante el calentamiento.

El líquido de una cantimplora se enfría porque el tejido que la cubre exteriormente está mojado. El agua que moja dicho tejido se evapora a temperatura ambiente, absorbiendo calor de la cantimplora y del líquido almacenado en su interior.

vaporización.png

La VAPORIZACIÓN (ebullición o evaporación) es un cambio de estado progresivo porque sucede absorbiendo calor.
SUBLIMACIÓNAlcanfor - Bolitas.png
Las bolitas de alcanfor absorben calor del ambiente y cambian de estado sólido a gaseoso. El vapor producido es un buen repelente de la polilla.

El hielo seco es dióxido de carbono sólidificado a temperaturas inferirores a -78ºC. Cuando el hielo seco se introduce en agua, absorbe calor y sublima pasando directamente a estado gaseoso. el hielo seco es utilizado para conseguir efecto de niebla en espectáculos y películas.
Vídeo hielo seco

La SUBLIMACIÓN es un cambio de estado progresivo porque sucede absorbiendo calor.
Cambios de estado
REGRESIVOS


Los cambios de estado que se producen cuando un sistema material desprende calor (se enfría) se denominan cambios de estado regresivos. Son cambios de estado regresivos los indicados en color azul en el esquema anterior.
SOLIDIFICACIÓN
El agua de un río puede solidificar en los fríos días de invierno.
Hielo.png

La SOLIDIFICACIÓN es un cambio de estado regresivo porque sucede absorbiendo calor.
CONDENSACIÓN
El vapor de agua condensa al enfriarse.
Un cristal se empaña y queda mojado cuando el vapor se enfría y condensa al chocar contra él.
Las nubes se forman por condensación de vapor de agua al enfriarse en la atmósfera.

Condensación - nubes y cristal.png
La CONDENSACIÓN es un cambio de estado regresivo porque sucede absorbiendo calor.
SUBLIMACIÓN REGRESIVA
Cuando una sustancia en estado de vapor es enfriada y cambia directamente a estado sólido sucede la sublimación regresiva.


Vídeo sublimación y sublimación regresiva del yodo


La SUBLIMACIÓN REGRESIVA es un cambio de estado regresivo porque sucede absorbiendo calor.

Diferencias entre ebullición y evaporación

Mecanismo de vaporización.png
EVAPORACIÓN

Vaporización lenta.

Sucede a cualquier temperatura (más intensa a temperaturas altas).

Sólo sucede en la superficie del líquido (más rápida en líquidos extendidos).

Se favorece por la aireación (más rápida si hay aireación del líquido)
EJEMPLO: evaporación al secarse la ropa tendida
Ropa sol.png

La ropa tendida se seca por evaporación del agua que la moja. Esta evaporación sucede sin llegar a los 100ºC.
La ropa tendida se seca más rápidamente cuando...

... se tiende al sol (evaporación favorecida por alta temperatura)
... se tiende extendida (evaporación favorecida por la mayor
superficie de líquido libre)
... se tiende en un lugar con ventilación (evaporación favorecida
por la aireación)
La vaporización es un cambio de estado progresivo
que sucede cuando un sistema material absorbe
calor y cambia de estado líquido a estado gaseoso.

La vaporización puede suceder por dos mecanismos
diferentes: ebullición y evaporación.
EBULLICIÓN

Vaporización rápida.

Sucede a temperatura constante (T.E.) mientras se absorbe energía.
La temperatura de ebullición aumenta si se eleva la presión y disminuye si la presión desciende.

Sucede en toda la masa del líquido (con burbujeo tumultuoso)
EJEMPLO: ebullición de agua al calentarla mientras se cocina
Ebullición.jpg

Cuando se calienta el agua en un cazo hierve de forma tumultuosa al llegar a los 100ºC. El burbujeo se debe a que el agua cambia de estado en todo el líquido (no sólo en la superficie) formando burbujas que suben a la superficie y estallan liberando vapor de agua.

Olla a presión.pngEn una olla a presión la tapadera cierra herméticamente, el vapor acumulado sobre el líquido eleva la presión y
la temperatura de ebullición del agua aumenta (puede llegar a 130ºC). Los alimentos se cuecen más rápidamente porque el agua permanece en estado líquido a temperaturas superiores a los 100ºC que es la temperatura máxima en ollas no cerradas a presión.

En una olla a presión la temperatura de ebullición del agua aumenta porque la presión sobre el líquido se incrementa. Si por otros procedimeintos se hace disminuir la presión sobre el agua, ésta puede hervir a menos de 100ºC. En montañas o en ciudades muy altas hay menor presión atmosférica y la temperatura de ebullición del agua es más baja.

A baja presión el agua hierve a menos de 100ºC


Temperatura de fusión (T.F.) y temperatura de ebullición (T.E.)

Imagen2.png
La temperatura de fusión (T.F.) corresponde a la temperatura a la cual una sustancia en estado sólido cambia a estado líquido cuando es calentada a presión atmosférica. Durante la fusión la temperatura no cambia aunque se esté absorbiendo energía. Así por ejemplo, la temperatura de fusión del hielo es de 0ºC porque si se calienta hielo a presión atmosférica normal, funde conviertiéndose en agua líquida a la temperatura de 0ºC. Durante la fusión del hielo la temperatura permanece constante en el valor de 0ºC aunque se esté calentando (el hielo absorbe energía para cambiar de estado, no para cambiar de temperatura).

La temperatura de ebullición (T.E.) corresponde a la temperatura a la cual una sustancia en estado líquido cambia a estado gaseoso cuando es calentada a presión atmosférica. Durante la ebullición la temperatura no cambia aunque se esté absorbiendo energía. Así por ejemplo, la temperatura de ebullición del agua es de 100ºC porque si se calienta agua a presión atmosférica normal, hierve (ebulle) conviertiéndose en vapor de agua a la temperatura de 100ºC. Durante la ebullición del agua la temperatura permanece constante en el valor de 100ºC aunque se esté calentando (el agua absorbe energía para cambiar de estado, no para cambiar de temperatura).

Cada sustancia funde o hierve a temperaturas características. En la tabla se recogen las temperaturas de fusión y ebullición de algunas sustancias, medidas a presión atmosférica normal (1 atmósfera).

Para cualquier sustancia la temperatura de fusión coincide con la temperatura de solidificación (temperatura a la cual una sustancia en estado líquido cambia a estado sólido cuando es enfriada a presión atmosférica). Así mismo, para cualquier sustancia la temperatura de ebullición coincide con la temperatura de condensación (temperatura a la cual una sustancia en estado gaseoso cambia a estado líquido cuando es enfriada a presión atmosférica). Como ejemplo puede decirse que el vapor de agua condensa a temperatura constante de 100ºC al ser enfriado y el agua solidifica a temperatura cosntante de 0ºC al ser enfriada.
Imagen1.png
Generalmente podemos considerar que cualquier sustancia estará en estado sólido cuando se encuentre por debajo de su temperatura de fusión, estará en estado líquido cuando se encuentre entre su temperatura de fusión y su temperatura de ebullición y estará en estado gaseoso cuando se encuentre por encima de su temperatura de ebullición.
Cuando una sustancia está en su temperatura de fusión pueden coexistir los estados sólido y líquido de dicha sustancia.
Cuando una sustancia está en su temperatura deebullición pueden coexistir los estados líquido y gaseoso de dicha sustancia.

¿Podrías explicar consultando la tabla por qué a temperatura ambiente el hierro es sólido, el mercurio es líquido y el amoniaco es gaseoso?

Gráficas de calentamiento y gráficas de enfriamiento



Temperaturas de fusión y de ebullición. Gráficas de calentamiento y de enfriamiento. Ejercicios

TEORÍA CINÉTICO-MOLECULAR


Teoría cinético-molecular para gases

La teoría cinético molecular establece que los gases están constituidos por partículas de tamaños muy pequeños (despreciables) en comparación con el volumen del gas, que se mueven continuamente al azar, chocando entre sí y con las paredes del recipiente. Entre las partículas del gas existen fuerzas de cohesión (fuerza de atracción) y de dispersión (fuerzas de dispersión).

Los gases tienden a ocupar todo el volumen del recipiente que los contiene porque sus partículas se alejarán fácilmente unas de otras hasta llegar a los límites del recipiente, por efecto de las fuerzas de dispersión.

Los gases se comprimen o se expanden con facilidad porque las distancias entre partículas son muy grandes en comparación con sus tamaños por lo que pueden alejarse fácilmente, al disminuir la presión sobre ellos, o acercarse fácilmente, al aumentar la presión sobre ellos.

Los gases ejercen presión sobre las paredes del recipiente que los contiene porque chocan continuamente contra ellas.

Las partículas de los gases están muy desordenadas y no mantienen posiciones ni distancias fijas.
Teoría cinético-molecular para líquidos

Los líquidos están constituidos por partículas que están en continuo movimiento y mucho más próximas entre sí que las partículas de los gases.

Los líquido no se expanden ni se comprimen porque las fuerzas de atracción entre partículas son mucho más intensas que en gases y por eso las partículas no pueden alejarse o acercarse aunque disminuya o aumente la presión sobre ellos.

Los líquidos cambian fácilmente de forma para adaptarse al recipiente y pueden fluir por tuberías porque las partículas pueden deslizar fácilmente unas sobre otras cambiando de posición sin cambiar la distancia, es decir sin acercarse ni alejarse entre sí.

Las partículas de los líquidos están algo desordenadas y no mantienen posiciones fijas pero siempre están a la misma distancia.
Teoría cinético-molecular para sólidos

Los sólidos tienen fuerzas de atracción mucho más intensas entre sus partículas que los líquidos, por eso las partículas se mantienen en posiciones fijas en torno a las cuales realizan pequeños movimientos de oscilación.

Las partículas no pueden cambiar de posición ni de distancia y por eso los sólidos no se deforman, ni se comprimen, ni se expanden.

Las partículas de los sólidos mantienen posiciones fijas (oscilando) y distancias fijas. Si están ordenadas tendremos un sólido cristalino y si están desordenadas tendremos un sólido amorfo.

Interpretación de la temperatura y cambios de estado


Según la teoría cinético molecular de la materia las partículas de cualquier sólido, líquido o gás están en continuo movimiento. La temperatura de cualquier cuerpo material es directamente proporcional a la energía cinética media de sus partículas.

Si se incrementa la temperatura de un cuerpo sus partículas aumentan la intensidad de sus movimientos. Si disminuye la temperatura de un cuerpo sus partículas se moverán más lentamente. La menor temperatura posible es aquella en la que las partículas llegarían a dejar de moverse. Dicha temperatura es el cero absoluto (0 Kelvin) y corresponde a -273,15 ºC.

Si quieres saber algo más sobre el cero absoluto de temperatura puedes consultar en el siguiente enlace Cero absoluto de temperatura

En los cambios de estado progresivos (fusión, vaporización o sublimación), la sustancia que cambia de estado absorbe calor.
FUSIÓN: un sólido absorbe calor y sus partículas aumentan la intensidad de sus movimientos y tienen velocidad suficiente para poder vencer las fuerzas de atracción y escapar de la estructura sólida y pasar a estado líquido.
EVAPORACIÓN: un líquido absorbe calor y sus partículas aumentan la intensidad de sus movimientos. Algunas partículas de la superficie adquieren suficiente velocidad para poder escapar de la estructura líquida y quedar en estado gaseoso.
EBULLICIÓN: un líquido absorbe calor y sus partículas aumentan la intensidad de sus movimientos. Partículas de cualquier parte del líquido (no sólo de la superficie) adquieren suficiente velocidad para poder escapar de la estructura líquida y quedar en estado gaseoso.
Interpretación cinética de la temperatura y los cambios de estado


Interpretación de la presión de un gas y de la licuación por efecto de la presión

Licuación de un gas.png

La presión que ejerce un gas contra las paredes del recipiente que lo contiene se origina como consecencia de los continuos choques de las partículas de dicho gas contra ellas.

Un gas puede cambiar de estado y licuarse (convertirse en líquido) si se incrementa la presión sobre él. Al aumentar la presión, se provoca la aproximación de las partículas del gas (entre las que hay grandes huecos vacíos). Cuando las partículas están muy próximas entre sí las fuerzas de atracción se intensifican y se produce el cambio a estado líquido.

Esto es lo que sucede por ejemplo cuando se introduce gas en un mechero para recargarlo. La presión sobre el gas es muy intensa porque está obligado a pasar a un espacio muy reducido (el interior del mechero). Las partículas del gas se habrán aproximado tanto que habrán quedado organizadas en la disposición propia del estado líquido.

La licuación de los gases para su envasado y transporte es frecuentemente utilizada en el caso de combustibles gaseosos derivados del petróleo (propano, butano, ...) En este enlace puedes encontrar más información Gases Licuados del Petróleo