Las cuatro fases de la materia
Sólidos, líquidos, gases y plasmas: estas palabras deberían resultarte bastante familiares porque son las cuatro fases de la materia , que son simplemente las diferentes formas que puede tomar la materia. Lo bueno es que muchas sustancias pueden existir en más de una fase. Tomemos el agua, por ejemplo: el agua puede existir como un sólido (hielo), un líquido (agua líquida) y un gas (vapor de agua).
La diferencia entre estos estados es la cantidad de energía. Los sólidos tienen la menor cantidad de energía, lo cual es parte de la razón por la cual sus partículas cuelgan tan juntas. Los líquidos tienen más energía que los sólidos, por lo que tomarán la forma de su recipiente pero solo hasta la superficie.
Los gases tienen incluso más energía que los líquidos. Tanto más de hecho que sus partículas se extienden para llenar todo el espacio de su contenedor. Las partículas de gas tienen tanta energía que simplemente no pueden quedarse quietas. Vuelan en todas direcciones, poniendo la mayor distancia posible entre ellos y el resto de las partículas de gas.
Los plasmas son gases ionizados y en su forma natural son poco comunes en la Tierra. Los ha visto como cosas hechas por el hombre, como letreros de neón y bombillas fluorescentes. Pero en el resto del universo, ¡el plasma es en realidad la fase más común de la materia! La mayoría de las estrellas son de plasma, al igual que las auroras boreales que se ven alrededor de las regiones polares. Sin embargo, el plasma solo existe bajo ciertas condiciones, por lo que terminaremos nuestra discusión aquí para esta lección.
Teoría cinética de la materia
La teoría cinética de la materia establece que toda la materia está formada por pequeñas partículas que están en movimiento aleatorio y que tienen espacio entre ellas. Esto significa que no importa en qué fase se encuentre la materia, está hecha de partículas en movimiento separadas.
Esta teoría suena bastante simple, pero en realidad explica mucho sobre las propiedades físicas de la materia y cómo se comporta. Es posible que se sorprenda al saber que las partículas de un sólido en realidad se están moviendo, pero no lo suficiente para que las vea. Este tipo de movimiento vibratorio es la razón por la que un sólido no cambiará de forma sin importar en qué tipo de recipiente lo coloques.
¿Recuerda que las partículas líquidas tienen más energía que los sólidos? La energía extra en este estado permite que las partículas se muevan más libremente y se esparzan más que las de un sólido, dejando más espacio entre esas partículas. Es por eso que un líquido tomará la forma de su recipiente hasta su superficie.
Y dado que los gases tienen incluso más energía que los líquidos, sus partículas también se mueven mucho más. Esta es la razón por la que un gas se expandirá para llenar todo su contenedor, no solo hasta su superficie como un líquido. Las partículas de un sólido no solo no se mueven mucho, sino que también se mantienen muy cerca unas de otras mediante fuertes fuerzas de atracción. Estas fuerzas son las que mantienen las partículas en su lugar y son las que dan a un sólido su tamaño y forma fijos.
Por otro lado, las partículas de un gas están tan separadas que se supone que las fuerzas de atracción entre ellas son insignificantes. Las partículas de un gas se consideran independientes entre sí, lo que significa que el gas es lo opuesto a un sólido y no tiene un tamaño ni una forma fijos.
Dado que el movimiento de las partículas líquidas se encuentra entre un sólido y un gas, las fuerzas de atracción entre sus partículas también se encuentran en un rango medio de las otras dos fases. Las partículas líquidas tienen más libertad que las partículas sólidas, por lo que un líquido puede fluir libremente. Esto significa que, como un gas, un líquido no tiene una forma fija. Pero debido a que las partículas no son tan libres como las de un gas, un líquido tiene un volumen fijo.
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Cambios de fase
La teoría cinética de la materia también es útil para explicar por qué las sustancias pueden cambiar de fase en determinadas condiciones. Sabes que el agua puede ser sólida, líquida o gaseosa, pero ¿cómo sucede esto? Un cambio de fase ocurre cuando se agrega o se quita energía a la materia, generalmente en forma de calor.
Cuando calientas un cubo de hielo, se derrite y se convierte en agua líquida, ¿verdad? Esto sucede porque las partículas del cubo de hielo se calientan, lo que significa que tienen más energía. Al igual que cuando te energizas después de comer una galleta y comienzas a rebotar, las partículas que tienen más energía también se mueven más. Cuando tienen suficiente energía, cambian de fase de sólido a líquido.
Lo mismo ocurre con las partículas líquidas que se calientan. Cuando calienta una olla de agua en la estufa, eventualmente calienta el agua lo suficiente como para que comience a hervir. Cuando el agua líquida alcanza su punto de ebullición, se convierte en vapor de agua, que es agua en fase gaseosa. Las partículas tienen tanta energía que han sufrido un cambio de fase, esta vez de líquido a gas.
También podemos crear un cambio de fase en la dirección opuesta eliminando calor y, por lo tanto, eliminando energía. Cuando congelas el agua, se convierte en hielo porque le has quitado el calor. Las partículas se ralentizan y se vuelven sólidas porque ya no tienen suficiente energía para moverse como un líquido. Esta es también la razón por la que el agua se acumula en el exterior de su vaso en un día caluroso. El vapor de agua en el aire se enfría cuando golpea su vaso de limonada, por lo que las partículas de agua disminuyen y cambian de gas a líquido.
Un punto importante a tener en cuenta es que los diferentes tipos de materia requieren diferentes cantidades de energía para cambiar de fase. No todos los sólidos se derriten a la misma temperatura, al igual que no todos los líquidos hierven a la misma temperatura. Depende de la fuerza de esas fuerzas atractivas entre las partículas y de lo fácil o difícil que sea superarlas.
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Resumen de la lección
La teoría cinética de la materia nos dice mucho sobre las diferentes fases de la materia. Esta teoría establece que toda la materia está formada por pequeñas partículas que están en movimiento aleatorio y que tienen espacio entre ellas.
Aunque esta teoría describe toda la materia, no toda la materia es igual. Las diferentes fases de la materia existen debido a diferencias en el movimiento y el espacio entre esas partículas. En los sólidos, las partículas tienen muy poco movimiento y se mantienen juntas muy apretadas, con poco espacio entre ellas.
Las partículas líquidas tienen un poco más de libertad que las de los sólidos porque tienen más espacio y, por lo tanto, fuerzas más débiles entre ellas. Las partículas de gas son tan libres que se consideran independientes entre sí. Se supone que las fuerzas de atracción entre ellos son insignificantes porque las partículas están muy alejadas unas de otras.
La materia puede cambiar de una fase a otra cuando cambia la cantidad de energía de las partículas. Si se agrega suficiente energía a un sólido, puede cambiar a líquido, y agregar aún más energía cambiará ese líquido en gas. Pero aunque la materia puede cambiar de fase agregando o quitando calor, cada tipo de materia requiere diferentes cantidades de energía para que ocurran estos cambios.
Los resultados del aprendizaje
Al final de esta lección, debería poder:
- Recordar los cuatro estados de la materia y sus características.
- Explica la teoría cinética de la materia.
- Discutir el efecto de la energía sobre la materia en sus diferentes estados.
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