Estats de la matèria, ebullició, calor i ones – Fonaments de física

Estats de la matèria

Sòlid

Densitat: alta. Fluidesa: no. Dilatació: poca.

Les partícules estan unides per enllaços químics o iònics amb direccions privilegiades, amb estructura cristal·lina; les partícules vibren al voltant de la posició d'equilibri. En augmentar la temperatura augmenta la vibració, la qual cosa provoca conducció de la calor i dilatació.

Líquid

Densitat: bastant alta. Fluidesa: sí. Dilatació: molta.

Les partícules estan juntes per la força de cohesió; només obliga les partícules a estar juntes entre elles, però permet el moviment relatiu entre elles.

Gas

Densitat: molt baixa. Fluidesa: sí. Dilatació: moltíssima.

Els gasos són pràcticament invisibles i es reparteixen uniformement; hi ha espai buit entre les partícules. Només interaccionen quan xoquen. La rapidesa mitjana de les partícules és directament proporcional a la temperatura; en augmentar la temperatura augmenten la pressió i el volum, és a dir, hi ha dilatació.

Ebullició de l'aigua pura

Llei experimental

Quan l'aigua no bull, la temperatura del líquid és directament proporcional al temps d'escalfament. Quan bull, la temperatura es manté constant.

Evaporació

Un líquid s'evapora totalment al cap d'un cert temps. El procés de l'evaporació té lloc a través de tota la superfície lliure del líquid. Les partícules que formen el líquid poden escapar de les forces que les mantenen unides a la fase líquida i passar a la fase vapor.

• Algunes partícules de la superfície del líquid tenen més velocitat que les altres; per això el líquid no s'evapora de cop.
• El fenomen de l'evaporació només té lloc a la superfície del líquid i succeeix a qualsevol temperatura, però és més intens si la temperatura augmenta.

Recipient tancat i obert

En un recipient tancat, les partícules que surten del líquid es igualen a les que cauen cap al líquid des de la fase vapor; quan s'arriba a aquest equilibri es parla de pressió de vapor (xoc de les partícules contra les parets).

En un recipient obert, l'ebullició o l'evaporació tenen lloc de forma tumultuosa a tota la massa líquida. L'ebullició es produeix quan la pressió del vapor de l'aigua iguala la pressió existent damunt del líquid.

Ebullició de l'aigua salada

Llei experimental i efectes de la sal

Quan no bull, la temperatura del líquid és directament proporcional al temps d'escalfament; quan el líquid bull, la temperatura es manté constant.

• El líquid bull quan la seva pressió de vapor iguala la pressió exterior.
• En el cas de l'aigua salada, l'ebullició es produeix a una temperatura més alta (per exemple, ~102 °C en certes condicions).
• El fet d'afegir sal fa disminuir la pressió de vapor de la solució: s'han substituït partícules d'aigua per partícules de sal, per tant el nombre de partícules d'aigua a la superfície lliure del líquid disminueix. Com que disminueix la pressió de vapor, la temperatura ha d'augmentar per arribar a l'ebullició.
• En el cas de la congelació, l'aigua salada congela a una temperatura menor que l'aigua pura.

Calor

La calor es defineix com l'energia transmesa a causa d'una diferència de temperatura; és energia en trànsit entre dos cossos provocada per una diferència de temperatures. No es pot emmagatzemar; flueix del cos que té més temperatura cap al de menys temperatura.

Mecanismes calorífics

• Conducció: la calor es transmet quan els objectes estan a temperatures diferents. S'hi transporta energia, però no matèria.
• Convecció: la calor es transmet mitjançant un líquid o un gas; transporta energia i matèria.
• Radiació: la calor es transmet a distància sense que hi hagi contacte entre cossos, mitjançant ones electromagnètiques.

Ones

Tipus d'ones:

• Mecàniques: necessiten un medi material (per exemple, el so).
• Electromagnètiques: no necessiten medi material (per exemple, la llum i la radiació tèrmica).

Ona sonora

El so no es pot propagar en el buit. Les ones sonores es propaguen en totes direccions. El so es produeix amb les vibracions que fan els cossos; la rapidesa de propagació del so varia segons el medi. Per percebre una ona sonora necessitem un receptor que vibri a l'interior de la nostra oïda. Per formar una ona sonora cal que hi hagi un objecte en vibració.