Fundamentos de la Materia: Propiedades, Estados y Teoría Cinética

Propiedades de los Sistemas Materiales

La materia es todo aquello que ocupa espacio y tiene masa. Un sistema material es una porción de materia que se considera de forma aislada para su estudio.

Propiedades Generales

Las propiedades pueden ser generales, como la masa y el volumen. Todos los sistemas materiales las tienen, pero no aportan información específica sobre el tipo de sustancia que constituye el sistema.

• La masa es una propiedad fundamental de los sistemas materiales que mide la cantidad de materia que poseen. Su unidad en el Sistema Internacional es el kilogramo (kg).
• El volumen es una propiedad que informa de la cantidad de espacio que ocupa un cuerpo. Su unidad en el Sistema Internacional es el metro cúbico (m³).

La Densidad de los Cuerpos

La masa y el volumen de un cuerpo, por sí solos, no permiten determinar de qué sustancia está formado. La densidad es una propiedad específica de cada sustancia y se define como la masa que corresponde a una unidad de volumen de la misma. Se calcula mediante la fórmula:

d = m / v

Para transformar las unidades de densidad, es necesario transformar adecuadamente las unidades de masa y de volumen.

Estados de Agregación de la Materia y Cambios de Estado

Los sistemas materiales se pueden presentar en tres estados de agregación principales: sólido, líquido y gas. La intensidad de las uniones (fuerzas intermoleculares) entre las partículas que componen la sustancia determina su estado de agregación.

Cuando un sistema material cambia de estado, su masa permanece constante, pero su volumen generalmente cambia.

Principales Cambios de Estado

• Fusión: Es el paso de una sustancia del estado sólido al estado líquido.
• Vaporización: Es el paso de una sustancia del estado líquido al estado gaseoso. Puede ocurrir de dos formas:
  • Evaporación: Ocurre en la superficie del líquido a cualquier temperatura.
  • Ebullición: Ocurre en toda la masa del líquido a una temperatura específica (punto de ebullición).
• Sublimación: Es el paso directo del estado sólido al estado gaseoso, sin pasar por la fase líquida.
• Sublimación regresiva (o deposición): Es el proceso inverso a la sublimación, el paso directo del estado gaseoso al estado sólido.
• (Otros cambios importantes incluyen la solidificación, paso de líquido a sólido, y la condensación, paso de gas a líquido).

Calor Latente de Cambio de Estado

La energía absorbida o desprendida durante un cambio de estado a temperatura constante se denomina calor latente de cambio de estado.

• El calor latente de fusión del agua es la energía que hay que suministrar a 1 gramo de hielo a 0 °C para convertirlo completamente en agua líquida, también a 0 °C. Su valor es aproximadamente 334,4 Julios por gramo (J/g).
• El calor latente de vaporización del agua es la energía que hay que suministrar a 1 gramo de agua líquida a 100 °C para convertirla completamente en vapor de agua, también a 100 °C. Su valor es aproximadamente 2257 Julios por gramo (J/g).

La Teoría Cinético-Molecular

Los primeros intentos de explicar la constitución de la materia se centraron en los gases, por tener una estructura y comportamiento aparentemente más sencillos.

El Modelo Estático (Obsoleto)

Antiguamente, se suponía que el calor era una sustancia fluida llamada "calórico". Según este modelo, al calentar un gas, sus partículas aumentaban de volumen porque el calórico se colocaba alrededor de ellas, incrementando su tamaño y, por ende, el volumen total del gas.

El Modelo Cinético

La teoría cinético-molecular moderna explica el comportamiento de la materia, especialmente de los gases, suponiendo que está formada por partículas (átomos o moléculas) que se encuentran en constante movimiento.

• Gases: Las partículas están muy separadas entre sí y se mueven rápidamente y de forma caótica en todas direcciones. Las fuerzas de atracción entre ellas son muy débiles o casi inexistentes.
• Líquidos: Las fuerzas de atracción entre partículas son lo bastante fuertes como para mantenerlas juntas, formando un volumen definido, pero les permiten moverse y deslizarse unas sobre otras, adoptando la forma del recipiente.
• Sólidos: Las fuerzas de atracción son muy intensas y mantienen a las partículas fijas en posiciones específicas dentro de una estructura ordenada. Las partículas solo pueden vibrar alrededor de estas posiciones fijas.

Interpretación Cinética de la Temperatura, la Presión y los Cambios de Estado

Los gases son relativamente fáciles de describir desde el punto de vista de la teoría cinética. En un recipiente cerrado, sus partículas se mueven continuamente en línea recta hasta que chocan con otras partículas o con las paredes del recipiente. Este movimiento constante y aleatorio es la base del comportamiento cinético.

Teoría Cinética y Presión

Las partículas de un gas chocan continuamente contra las paredes del recipiente que lo contiene. En cada choque, ejercen una pequeña fuerza sobre la pared. La presión que ejerce un gas es la consecuencia macroscópica de la suma de todas estas fuerzas ejercidas por los incesantes choques de las partículas contra las paredes del recipiente, por unidad de área.