Autores: -Martínez Ortiz Jorge Alberto;-Parrazal Regalado José Eduardo; -Pérez López José Eduardo; -Ramírez Noguez Patricia; -Ruiz González Alejandro.
Grupo: 607 ENP 7 "Ezequiel A. Chávez"
Blog con un tratado de temas, correspondientes a la asignatura de Física IV.
Los temas a tratar son los siguientes:
-Teoría cinética de la materia
-Postulados de la teoria cinética
-Conceptos de Presión y Temperatura
-Movimiento Browniano
-Leyes de los gases (Teoría y Práctica)
La teoría cinética de la materia fue desarrollada para poder explicar la naturaleza de la materia y su comportamiento; si nosotros entendemos por teoría cinética de la materia el intento por el cual se desean explicar las propiedades en escala macroscópica de la materia que nos rodea ya sea en cualquiera de las tres fases: solida, liquida o gaseosa, a partir de las leyes que gobiernan las partículas macroscópicas, es evidente que la información que podemos obtener de ésta materia es limitada a la observación y medición de algunos de sus atributos accesibles a nuestros sentidos; estos atributos reflejan su naturaleza gruesa o macroscópica, como lo son su volumen, masa, presión, temperatura, color, etc. A partir de esta información podremos aprender el comportamiento individual de los millones de átomos o moléculas que la forman, de aquí que recurriremos a la imaginación para crear un modelo, en el cual a través de ciertas hipótesis se tratara de deducir si las propiedades propuestas en el modelo concuerdan con las observaciones realizadas en el laboratorio y con las propiedades de la materia real; si estos concuerdan satisfactoriamente podremos decir que el modelo es apropiado para describir a la materia, si no es así, habrá que modificar el modelo hasta que sea satisfactorio.
Postulados De La Teoria Cinética Molecular
1. La materia está constituida por partículas que pueden ser átomos ó moléculas cuyo tamaño y forma característicos permanecen el estado sólido, líquido ó gas.
2. Estas partículas están en continuo movimiento aleatorio. En los sólidos y líquidos los movimientos están limitados por las fuerzas cohesivas, las cuales hay que vencer para fundir un sólido ó evaporar un líquido.
3. La energía depende de la temperatura. A mayor temperatura más movimiento y mayor energía cinética
4. Las colisiones entre partículas son elásticas. En una colisión la energía cinética de una partícula se transfiere a otra sin pérdidas de la energía global.
Diferencias entre solidos , liquidos y gases
Gases
1.- Los gases constan de moléculas discretas Las moléculas individuales son muy pequeñas y Las moléculas están separadas a distancias muy grandes comparadas con su tamaño. 2.- Las moléculas están en movimiento continúo Este movimiento es en todas direcciones al azar Este movimiento es en línea recta. En este movimiento las velocidades de las moléculas es diferente una de otra 3.- La colisión de moléculas gaseosas con las paredes del recipiente son elásticas. La energía total se conserva durante la colisión, es decir, no hay pérdida ni ganancia neta de energía.
Líquidos
1. La materia consta de moléculas discretas 2. Las moléculas individuales son muy pequeñas. 3. La unión y separación de las moléculas esta en relación de su distancia y su tamaño.
4.No son compresibles.
5. No pueden representarse como arreglos.
6. Deben considerarse como desordenados
7. Sus densidades son similares a las de los sólidos
8. A pesar de que se tocan las partículas, se pueden mover aleatoreamente en cualquier dirección
9. Al moverse toman la forma del recipiente
10. Las interacciones son intermedias
Sólidos
1. No son compresibles
2. Las fuerzas entre partículas les impiden separase.
3. Se conocen dos clases diferentes de sólidos:
Cristalinos:Tienen puntos de fusión definidos. Se modelan como arreglos ordenados de moléculas, iones o átomos.Se dividen en cuatro clases: -Iónicos, -Covalentes, -Moleculares y Metálicos. -
Amorfos, sin puntos de fusión definidos y se modelan como arreglos desordenados de moléculas.
Es la fuerza ejercida por unidad de área. En los gases esta fuerza actúa en forma uniforme sobre todas las partes del recipiente.
La presión atmosférica es la fuerza ejercida por la atmósfera sobre los cuerpos que están en la superficie terrestre. Se origina del peso del aire que la forma. Mientras más alto se halle un cuerpo menos aire hay por encima de él, por consiguiente la presión sobre él será menor.
La atmósfera, capa gaseosa de la Tierra, ejerce una presión llamada presión atmosférica sobre todos los cuerpos. Torricelli en el siglo XVII demostró mediante un célebre experimento su existencia y midió su valor. Este valor o presión varía según los lugares y se mide con los barómetros. La llamada Ley de Boyle y Mariotte, estudia la relación que hay entre la presión y el volumen de los gases. Para medir la presión de los gases dentro de recipientes se usa el manómetro. Para extraer los gases de los recipientes se usa la bomba de vacío.
Temperatura.
Es una medida de la intensidad del calor, y el calor a su vez es una forma de energía que podemos medir en unidades de calorías. Cuando un cuerpo caliente se coloca en contacto con uno frío, el calor fluye del cuerpo caliente al cuerpo frío.
La temperatura de un gas es proporcional a la energía cinética media de las moléculas del gas. A mayor energía cinética mayor temperatura y viceversa.
La temperatura de los gases se expresa en grados kelvin.
En cuanto a la temperatura de los gases, es otra magnitud macroscópica que indica la energía cinética media de sus partículas (dependiente a su vez de su masa y su velocidad) y esto explica satisfactoriamente el comportamiento de los gases cuando se calientan o se enfrían. En efecto, al calentar un gas (al aumentar su temperatura) aumenta la energía cinética de sus partículas y, por tanto, sus velocidades. Si el volumen permanece constante, ello implica que las partículas lleguen antes a chocar con las paredes del recipiente y además choquen con mayor velocidad. Es decir, aumenta la frecuencia de los choques y su intensidad, o, lo que es lo mismo, aumenta la presión que ejerce el gas. Evidentemente, ocurre lo contrario si se enfría el gas.
(Montrose, 1773-Londres, 1858) Botánico británico. Participó en una expedición científica a Australia, fruto de la cual es su obra Introducción a la flora de Nueva Holanda (1810). Director del departamento de botánica del Museo Británico, descubrió el movimiento desordenado que presentan las partículas ultramicroscópicas que se encuentran en suspensión en un líquido.
En 1827 traspasó la colección botánica de Joseph Banks al Museo Británico y pasó a ser el encargado del departamento de botánica recién formado. Al año siguiente publicó sus observaciones sobre el fenómeno que sería llamado movimiento browniano, es decir, el movimiento desordenado de las partículas en suspensión en un líquido. En 1831 estableció la constancia del núcleo celular en la célula vegetal, lo que anticipó la teoría celular. En el campo de la taxonomía botánica, Robert Brown introdujo la distinción entre gimnospermas y angiospermas (plantas con flor).
Teoría del movimiento Browniano
Se refiere cuando en un líquido existen partículas en suspensión se observa que éstas muestran un movimiento aleatorio e impredecible. Antes del descubrimiento de los átomos y las moléculas los físicos no tenían explicación para este movimiento, ahora se sabe que es producido por las colisiones de las moléculas del líquido contra las partículas suspendidas en él. A éste movimiento se le llama "movimiento Browniano".
La primera investigación detallada acerca de estas aleatorizaciones en la naturaleza fue realizada por Robert Brown en 1828. Este botánico inglés Robert Brown (1773-1858) observó que en una solución de agua el polen de una cierta hierba realizaba un movimiento continuo, muy accidentado, en zigzag.
Esto mismo lo podemos observar en las partículas que flotan en el aire, o si vertemos algún tipo de polvo de color en un vaso con agua: las partículas de polvo, si bien al cabo de un periodo de tiempo considerablemente grande acabarán en el fondo del vaso, tienen un movimiento completamente irregular y aleatorio, con movimientos hacia abajo, pero también hacia arriba.
En el mismo trabajo, Brown señalaba que otros investigadores, antes que él, ya habían notado este movimiento. En particular, menciona los trabajos de F. W. von Gleichen, realizados unos 60 años antes, y de J. T. Needham. Sin embargo, Brown fue el primero que hizo una investigación detallada del fenómeno.
Si bien inicialmente pensó que dicho movimiento se debía a la posibilidad de que las partículas de polen pudieran tener vida, repitió el experimento con polen de plantas muertas hacía cien años, obteniendo los mismos resultados, al igual que cuando realizó de nuevo el experimento pero en este caso con pequeñas partículas de minerales, llegando de este modo a la conclusión de que el movimiento no se debía a que la partícula en cuestión tuviera vida.
De todo este trabajo, Brown sacó la conclusión de que tal fenómeno es característico de cualquier tipo de suspensiones en el que las partículas suspendidas tengan dimensiones muy pequeñas. El trabajo de Brown atrajo mucho la atención de otros científicos europeos, quienes lo criticaron duramente, pues en él se proponía que el movimiento era autoanimado, sugiriendo todo tipo de explicaciones físicas como, por ejemplo, diferencias de temperatura en el agua iluminada, evaporación, corrientes de aire, flujo de calor, capilaridad, etcétera. Sin embargo, el famoso físico inglés Michael Faraday defendió las ideas de Brown, señalando que este movimiento no se podía explicar por ninguna de las causas propuestas. A pesar de todo, tanto Faraday como Brown admitieron, sin embargo, que no sabían cómo explicar este fenómeno.
Hacía mediados del siglo XIX se habían formado muchas hipótesis acerca de las causas del movimiento; sin embargo, con las observaciones experimentales varias de las hipótesis fueron eliminadas. En particular se pudo probar de manera contundente que este movimiento no se debía a que hubiera diferencias de temperatura entre dos regiones del espacio. El movimiento browniano se presenta también cuando la temperatura es la misma en todos los puntos del fluido. Asimismo, se desechó la hipótesis de que el zigzag se debía a fuerzas capilares, ya que también ocurría en recipientes muy grandes en los cuales dichas fuerzas no se manifiestan.
En 1863 Wiener formuló varios argumentos para mostrar que el movimiento browniano no podía atribuirse a causas externas, sino que tenía que deberse a movimientos internos del fluido.
Otro científico interesado en el fenómeno fue el francés Léon Gouy que hizo diversos experimentos de los que concluyó que la vivacidad y agilidad mostrada por las partículas aumentaba a medida que el tamaño de la partícula era menor; asimismo, esta vivacidad aumentaba a medida que la viscosidad del líquido en que se metían las partículas disminuía. Gouy también descartó la posibilidad de explicar este movimiento con base en colisiones con los átomos del fluido.
Se puede que en los primeros años del siglo XX la situación era la siguiente: por una parte, no se tenía una explicación firme y clara de las causas del movimiento browniano; al contrario, lo que se tenía era un panorama muy confuso y contradictorio.
En el año 1905 el famoso físico Albert Einstein (1879-1955) publicó un célebre trabajo en el que propuso la explicación del movimiento browniano. Es interesante notar que ese mismo año Einstein publicó otros dos famosos trabajos: el del efecto fotoeléctrico (que le valdría el premio Nobel de Física en 1923) y el de la teoría de la relatividad.
Para apreciar la contribución de Einstein hay que mencionar que hasta ese momento todos los argumentos propuestos para el movimiento browniano habían sido sólo cualitativos. Es decir, no se había formulado ninguna teoría de la que se pudiera colegir relación alguna que fuera susceptible de medirse experimentalmente. En su trabajo, Einsteinbrowniano se tratara de explicar por medio de la hipótesis atómica.
Según había mostrado Maxwell, las partículas del fluido no tenían todas la misma velocidad, sino que tenían muchas velocidades; es decir, tenían una distribución de velocidades. Además, estas velocidades tienen todas las posibles direcciones. En segundo lugar, el número de colisiones que experimenta una partícula en un fluido es extraordinariamente grande. Entonces, y a pesar de que en cada colisión con un átomo del fluido una partícula suspendida en él cambia su velocidad en una cantidad extremadamente pequeña, puesto que la partícula suspendida experimenta un número extraordinariamente grande de colisiones, el efecto acumulado de todas las colisiones resulta ser apreciable.
Está claro entonces que el resultado neto es que la partícula suspendida experimenta un cambio finito de velocidad y que su dirección también se altera. Estos cambios son impredecibles tanto en magnitud como en dirección ya que dada la cantidad de colisiones, no es posible seguir el efecto individual de cada una de ellas. Pero lo importante es que éstas ocurren continuamente, por lo que la partícula suspendida cambiará su velocidad también en forma continua, tanto en magnitud como en dirección. De este modo, la partícula browniana realiza un movimiento fluctuante, azaroso, en zigzag.
Aquí podemos apreciar claramente la explicación detallada de este movimiento:
El movimiento browniano también tiene importantes aportaciones al crecimiento fractal. Existe un proceso denominado DLA(Agregación por difusión limitada), que permite reproducir el crecimiento de algunas entidades vegetales como musgos, algas o líquenes y de procesos químicos como electrolisis o cristalización de ciertos compuestos.
Este proceso de DLA es extremadamente simple y consiste en liberar un número de partículas móviles dentro de un recinto acotado donde previamente habremos fijado una o más partículas. Las partículas liberadas permanecen en movimiento browniano hasta que alcanzan una celda contigua a una partícula fija, en cuyo caso se fijan también y sirven a su vez para poder capturar alguna de las partículas que continúan en movimiento. si se modifica el movimiento browniano por otro que tenga preferencia por alguna dirección, se puede conseguir que determinadas zonas del recinto estén más pobladas y se crezca más deprisa, o bien modificando el número de las partículas y la zona donde se sitúan o la forma del recipiente que las contiene.
Ejemplo en el que se observa la variación de los valores de la dimensión de masa y de la dimensión del contorno calculada por el método del compás en los siguientes DLA.
<!--[if !vml]--><!--[endif]-->
Otra posibilidad de crecimiento DLA es el vertical. Las partículas se lanzan desde lo alto y las partículas fijas se sitúan en el fondo del recipiente. Se puede observar en la siguiente figura como cuando una formación sobresale, las de sus lados dejan de crecer. Esto es debido a que las más grandes absorben los recursos de las más pequeñas e impiden su crecimiento, fenómeno que se da en la naturaleza cuando un árbol grande impide que crezcan los que están a su alrededor quitándoles los recursos de luz, agua.
En un gas las moléculas individuales se encuentran alejadas de tal modo que las fuerzas de cohesión entre ellas son generalmente muy pequeñas. Aunque la estructura molecular de diferentes gases puede variar considerablemente, su comportamiento se ve poco afectado por el tamaño de las moléculas individuales. En general suele ser correcto decir que cuando una gran cantidad de gas se confina en un volumen reducido, el volumen que las moléculas ocupan es todavía una fracción pequeña del volumen total.
Una de las generalizaciones mas útiles con respecto a los gases es el concepto de gas ideal, pues su comportamiento no se altera por las fuerzas de cohesión o volúmenes moleculares. Asi que decimos que ningún gas real es idea; empero en condiciones ordinarias de temperatura y presión, por lo tanto el comportamiento de cualquier gas es aproximadamente el de un gas ideal.
De este manera obtenemos una deducción de las leyes físicas generales que gobiernan su comportamiento térmico, ya que cualquier gas real satisface dichas relaciones y se determina a partir de cuánto se aproxima a ser una gas ideal.
Robert Boyle (1627- 1691) realizo las primeras mediciones experimentales del comportamiento de dichos gases y en 1660 demostró que el volumen de un gas es inversamente proporcional a la presión; es decir, que al duplicar el volumen de la presión disminuya a la mitad de su valor inicial y lo establece en la siguiente ley :
LEY DE BOYLE:
“Siempre que la masa y la temperatura de una muestra de gas se mantienen constante, el volumen del gas es inversamente proporcional a su presión absoluta.”
La proporcionalidad directa entre el volumen y la temperatura fue aprobada experimental mente por Jacques Charles en 1787, lo demostró y presento en la ley que lleva su nombre.
A continuación mostraremos el video de un experimento donde se demuestra la ley de Boyle, el video fue tomado dehttp://www.youtube.com/watch?v=mlya-Ej7sco&feature=results_main&playnext=1&list=PLE589DC2DD3F1D97C para su mejor comprensión.
LEY DE CHARLES:
“Mientras la masa y la presión de un gas se mantenga constantes, el volumen del gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta”
Las tres cantidades que determinan el estado de una masa de un gas dada son:
·Presión
·Volumen
·Temperatura
Así mientras la Ley de Boyle maneja los cambios en presión y volumen bajo temperatura constante, y la Ley de Charles se aplica para los cambios de volumen y temperatura bajo presión constante, la variación en la presión como una función de la temperatura se describe en la ley atribuida a Gay Lussac.
LEY DE GAY-LUSSAC
“Si el volumen de una muestra de gas permanece constante, la presión absoluta del gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta”
La forma más útil de una ley general de los gases cuando se conocen todos los parámetros de un estado inicial y de un estado final exceptuando una cantidad particular se presenta como:
LEY DEL GAS IDEAL
“La ley de Avogadro establece que para un gas a temperatura y presión constantes, el volumen es directamente proporcional al número de moles del gas. Cuando esta ley se combina con el trabajo previo de Robert Boyle y Jacques Charles, emerge la ley del gas ideal”
Aunque el tema pueda sonar un tanto raro, es verídico que en México varios grupos de investigadores han hecho contribuciones en esta área de la física.
Estas investigaciones comenzaron en el año de 1963 cuando Leopoldo García Colín, quien en su paso por el Centro de Investigación y Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional, comenzó a interesarse en el problema de generalizar la ecuación de Boltzmann para el caso de gases densos; para el cual colaboro con un físico estadounidense llamado Melville S. Green. Ellos coincidieron con la invitación de la Universidad Autónoma de Puebla para formar un grupo de investigación en la escuela de física y Matemáticas, en donde se concentró un grupo que trabajo en la teoría cinética conformado por F. Chaos, A. Flores, R. Alexander-Katz, E. Braun y Leopoldo García Colín.
Dentro de los trabajos de este grupo de investigadores destacan:
ØLa fundamentación de la ecuación de Boltzmann generalizada
ØLos métodos sistemáticos para calcular coeficientes de transporte
ØEl estudio de la forma de deducir criterios de irreversibilidad similares a los que pueden obtenerse para gases diluidos
ØEntre otros
Muchos de estas investigaciones se continuaron en el grupo de Espectrometría de Neutrones del Centro de Investigaciones Nucleares Salazar, Estado de México; dirigiendo al grupo Eliezer Braun.
Entre 1967 y 1974 en el Instituto Mexicano del Petróleo como parte de las actividades de soporte del programa de investigación básica de procesos petroquímicos, la teoría cinética continuó por líneas distintas. Uno de los problemas más importantes de la ingeniería básica de cualquier proceso químico es el de contar con datos confiables de las diferentes cantidades termodinámicas que caracterizan a las sustancias que intervienen en el proceso, siendo esta la línea que se siguió durante este periodo en México; dándose varios descubrimientos importantes en este tema. El trabajo iniciado en el Instituto Mexicano del Petróleo continuó desde varios aspectos en la Universidad Autónoma Metropolitana a partir de 1974.
Este es un claro ejemplo del interés que existe en México por una de las ramas de la física, que aunque es un campo estrictamente teórico dentro de la física la teoría cinética tiene un papel de extrema envergadura en la tecnología.
