La materia existe en diferentes fases
Probablemente ya esté familiarizado con las tres fases principales de la materia: sólida, líquida y gaseosa. En los sólidos, las partículas se mantienen unidas con tanta fuerza por atracciones que forman una forma fija. Las partículas en un líquido se mantienen juntas un poco menos apretadas, por lo que pueden moverse y tomar la forma de su recipiente (hasta la superficie del líquido). Las partículas de gas no se mantienen juntas en absoluto, por lo que se mueven por todas partes y se extienden para llenar todo el espacio.
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También puede saber que una sustancia puede existir en las tres fases diferentes. Por ejemplo, el hielo es la forma sólida del agua, y hay agua líquida y vapor de agua, que es la forma gaseosa. Pero, ¿cómo pasamos de una fase a otra?
Agregar y eliminar calor
Hacemos esto agregando o quitando energía en forma de calor . Cuando quitamos el calor del agua líquida, lo congelamos y obtenemos hielo (¡el frío es realmente solo una ausencia de calor!). Y cuando añadimos calor al agua líquida la hervimos y la convertimos en gas. Pero también podemos derretir el hielo en un líquido agregando calor y condensar el agua gaseosa en un líquido quitando el calor.
La temperatura a la que una sustancia se funde de sólido a líquido se denomina punto de fusión . Pero esta también es la misma temperatura que el punto de congelación de esa sustancia . Esto se debe a que esa temperatura específica es donde ocurre el cambio de fase para esa sustancia. Lo mismo ocurre con el punto de ebullición y el punto de condensación de una sustancia. Esta es la temperatura en la que una sustancia se vaporizará en un gas cuando se agrega calor y se condensará en un líquido cuando se elimine el calor.
Los puntos de fusión / congelación y de ebullición / condensación son únicos para cada sustancia. Por ejemplo, el punto de fusión / congelación del agua es 0 ° C (32 ° F) y el punto de ebullición / condensación es 100 ° C (212 ° F). Pero para el nitrógeno, el punto de ebullición / condensación es -196 ° C (-320 ° F!) Y el punto de fusión / congelación es -210 ° C (-346 ° F).
¿Cuáles son las Propiedades de la Materia?
Una nota importante aquí es que las partículas líquidas en la superficie pueden evaporarse por debajo del punto de ebullición. Piénselo: si deja fuera un vaso de agua, eventualmente se acabará toda el agua; se habrá evaporado aunque no haya hervido el agua. También experimentamos enfriamiento por evaporación cuando sudamos. Cuando nuestros cuerpos se calientan, sudamos el agua que se evapora de nuestra piel, llevándonos calor y enfriándonos en el proceso.
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Expansión y contratación
Bien, ahora que sabemos que el calor está involucrado en los cambios de fase, echemos un vistazo a por qué las sustancias cambian de fase con el calor. En un día cálido y soleado, te sientes con energía y quieres salir a correr. Pero cuando hace frío prefieres quedarte adentro y no hacer mucho. ¡Las sustancias hacen lo mismo! Eliminar el calor de una sustancia significa que las partículas tienen menos energía, por lo que no se mueven tanto. Pero también se contraen o se acercan. De hecho, hay tan poca energía que las partículas apenas tienen movimiento, solo pueden vibrar en sus posiciones fijas.
Cuando agregamos cabeza para obtener un líquido, las partículas tienen más energía y tienen más ganas de moverse. Algo así como los primeros días del clima primaveral después de un invierno frío. Debido a que las partículas tienen más energía y pueden moverse más, la sustancia se expande de modo que ocupa más espacio.
Agregue aún más calor (energía) a la sustancia y estamos en pleno verano. Las partículas tienen tanta energía que se mueven por todos lados, por eso los gases llenan todo su espacio. El gas se expande tanto hacia afuera como puede porque esas partículas se mueven mucho. Este cambio de tamaño de la sustancia resulta muy útil. Por ejemplo, los termómetros que están llenos de mercurio o alcohol se expanden y «suben» a medida que aumenta la temperatura debido a la adición de energía a las partículas.
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Una excepción importante a esta regla general es el agua. El agua en realidad se expande cuando se congela en hielo debido a sus enlaces de hidrógeno. Esos enlaces mantienen otras moléculas de agua al alcance de la mano en lugar de acercar las moléculas, por lo que el hielo termina siendo menos denso que el agua líquida. ¡Esto importa mucho! Si el hielo fuera más denso que el agua, se hundiría y todos los lagos y océanos de la Tierra se congelarían hasta quedar sólidos y todos los organismos que viven en esas aguas morirían. Esto afectaría significativamente al resto de la vida en la Tierra, por lo que deberíamos estar muy agradecidos de que exista esta excepción.
¿Cómo afecta el cambio climático a las playas de California?
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Resumen de la lección
Acabamos de cubrir una gran cantidad de material, así que repasemos. La materia existe en diferentes fases de sólido, líquido y gas. La fase actual de una sustancia depende de cuánta energía tengan las partículas. La energía se agrega o elimina de una sustancia en forma de calor . Cuando agregamos calor aumentamos la energía de las partículas para que se muevan más y se expandan . Cuando eliminamos el calor, eliminamos la energía para que las partículas se muevan menos y se contraigan . Una excepción importante a esto es el agua, que se expande cuando se enfría y hace que el hielo sea menos denso que el agua líquida.
Cuando retiramos suficiente calor de un líquido, lo congelamos hasta convertirlo en un sólido. Si le agregamos suficiente calor, lo derretimos nuevamente en un líquido. La temperatura a la que ocurren ambos es la misma para una sustancia determinada, denominados puntos de fusión y congelación . Del mismo modo, si agregamos suficiente calor a un líquido, podemos vaporizarlo en un gas, y para volver al líquido, simplemente necesitamos eliminar el calor suficiente para condensar la sustancia de nuevo a una fase líquida. Y al igual que con la fusión y la congelación, los puntos de ebullición y condensación son los mismos para una sustancia determinada.
Las partículas en la superficie de un líquido pueden evaporarse por debajo del punto de ebullición si se dan las condiciones adecuadas. Es por eso que podemos usar el enfriamiento por evaporación a través del sudor para enfriar nuestros cuerpos cuando tenemos calor.
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