Monografa Cambios de Estado de la Materia

Monografa Cambios de Estado de la Materia

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERA CIVIL

ASIGNATURA: FSICA II

MONOGRAFA: ESTADOS DE LA MATERIA Y CAMBIOS DE FASE

PROFESORA: ING. KATHERINE FERNNDEZ LEN

ALUMNA: ALCNTARA ORTIZ, DELIA ANTONIETA

AO ACADMICO: 2014-II

CICLO: II

GRUPO DE ESTUDIOS: C

FECHA: 01/12/2 014CAJAMARCA PER

INTRODUCCIN

Nuestro universo est constituido por materia presentada en diferentes estados, nosotros, y todo lo que nos rodea es materia. Materia es algo que posee masa y volumen (ocupa un espacio), por ejemplo, un coche, como se dira, que est hecho de materia, ya que ocupa espacio, y tiene masa.

Aunque al mirar a nuestro alrededor podemos apreciar distintos estados de la materia, en la naturaleza ocurren infinitos cambios a cada instante.La materia presenta una cantidad de sustancia que permite identificarla una de otra, y que a su vez se subdivide en dos propiedades: propiedades Fsicas y propiedades qumicas. Sus tipos de cambios se deben a los cambios internos que sufre la materia.

Podemos observar como en los cambios fsicos no se presenta cambio interno mientras que en los qumicos s.

Esta monografa tiene como propsito fundamental crear en nosotros los estudiantes habilidades que nos permitan realizar observaciones de experimentos sencillos; adems de las condiciones bajo las cuales se realizan, para as contribuir en el desarrollo de destrezas orientadas hacia la planificacin, ejecucin y anlisis de una actividad prctica.

RESUMEN

La presente monografa contiene la teora y diversas aplicaciones de Estados de la Materia y sus Cambios de Estados, los estados bsicos slido, gaseoso y lquido.

Un ingeniero civil en su formacin profesional no debe dejar de lado su preparacin y actualizacin en este tema, ya que las nuevas tecnologas hacen uso de estas teoras para crear productos que brinden comodidad a la persona, es por ello que el propsito de este trabajo es: Estudiar cualitativamente los estados de la materia y sus respectivos cambios, diferenciar los diversos conceptos y frmulas y aplicarlos correctamente en la solucin de problemas de la realidad.

Es de vital importancia conocer la teora y sus principales aplicaciones de estos temas, ya que en nuestra realidad encontramos un sinnmero de aplicaciones que brindan soluciones a las necesidades del ser humano, es por ello finalizamos el presente trabajo con variedad de aplicaciones.

CAMBIOS DE ESTADO DE LA MATERIA

OBJETIVOSAprender los conceptos de materia, identificando sus diferentes propiedades y estados en los que podemos encontrarla.Identificar los cambios de estado de la materia a travs de procedimientos empricos.

I. FUNDAMENTO TERICO

1. MateriaSe denomina as a todo aquello que tiene masa y ocupa espacio.

2. Propiedades de la MateriaEl ordenamiento y la interrelacin entre las partes que forman la materia, constituyen la base de su estructura y sta a su vez determina sus propiedades. Estas pueden ser segn:

SEGN SUS PROPIEDADES SON FSICAS Y QUMICAS:A. PROPIEDADES FSICAS: Una propiedad fsica, generalmente describe, la respuesta de la sustancia a cualquier influencia externa; tal como la luz, el calor, fuerza, electricidad; sin necesidad que la sustancia sea destruida o transformada. En otras palabras son aquellas propiedades que identifican a una sustancia sin producir un cambio en la composicin de la sustancia. No dependen de la cantidad de masa.Estas pueden ser:

Tabla 1.1: Propiedades FsicasPROPIEDADES FSICAS

Punto de ebullicin Punto de fusin Brillo VolatilidadColorSabor Suavidad LubricidadOlor Dureza Ductibilidad MaleabilidadConductividad trmicaViscosidadDensidad

B. PROPIEDADES QUMICAS: Definen la capacidad de la sustancias para formar otras nuevas; mediante la interaccin de u sustancia con otra o la transformacin de una sustancia en otra.SEGN SUS PROPIEDADES GENERALES Y ESPECFICAS :

A) PROPIEDADES GENERALES :Tienen relacin directa con la definicin de la teora, adems de inercia y peso, se considera las siguientes:

o Masa: Es la cantidad de materia que tiene un cuerpo.o Inercia: Es la resistencia que ofrece todo cuerpo a su cambio de estado de reposo o de movimiento.o Extensin: Propiedad que tiene la materia de ocupar un lugar en el espacio, es decir poseer volumen.o Impenetrabilidad: El espacio que ocupa un cuerpo no puede ser ocupado al mismo tiempo por otro.o Porosidad: Todo cuerpo por compacto que sea presenta espacios vacos entre sus partculas y molculas.o Dilatacin: Cualquier tipo de materia aumenta sus dimensiones por accin del calor.o Divisibilidad: Los cuerpos se pueden dividir empleando los medios adecuados.o Atraccin: Los cuerpos se atraen unos con otros.

B) PROPIEDADES ESPECFICAS:Son inherentes a cada tipo de sustancia, permitiendo distinguir una de otra, de manera definida.o Densidad: Definida como masa por unidad de volumen, nos permite identificar y determinar si una sustancia es pura.o Dureza: Es la resistencia que ofrecen los cuerpos para ser rayados.La Escala de Mohs establece un orden de menor a mayor dureza. Talco Yeso Calcita Fluorita Apatito Feldespato Cuarzo Topacio Corindn Diamanteo Maleabilidad : Capacidad que tienen algunos cuerpos slidos de formar hilos cuando son estirados. Tambin depende de u arreglo interno. Ejemplo: el oro.o Tenacidad : Resistencia que ofrecen los cuerpos para romperse por traccin.o Elasticidad : Propiedad que tienen algunos cuerpos de cambiar su forma cuando se aplica una accin y de recuperarla cuando est en retirada.o Color: Tiene relacin con la interaccin de la radiacin electromagntica con la materia y tambin depende de los constituyentes y su ordenamiento.o Ductibilidad: Propiedad por la cual ciertos cuerpos, como los metales pueden convertirse en hilos finos.o Compresibilidad: Expresa la propiedad de ciertos cuerpos de reducir sus dimensiones por efecto de la presin; los gases son muy compresible, en cambio los lquidos son prcticamente incompresibles.o Viscosidad: Es la resistencia que ofrecen los fludos al movimient de los cuerpos en su seno.

3. Estados de la Materia

Una sustancia puede ser slida, lquida, gaseosa, plasmtica, estado Bose Einstein (Quinto estado de la materia), Estado Ferminico.(Sexto estado de la materia).Estado Slido : Un slido mantiene su volumen y forma debido a que predominan las fuerzas de cohesin. Sus constituyentes se encuentran en estado de reposo relativo, favoreciendo su rigidez.La naturaleza nos presenta dos formas a travs de los cuales la materia logra su rigidez: Un estado slido cristalino; donde los componentes de la materia mantienen regularidad en su ordenamiento tridimensional, favoreciendo la formacin de estructuras definidas y, un estado slido amorfo; en el cual no existe regularidad cuando sus componentes alcanzan la rigidez.

Estado Lquido: En relacin a los slidos; los lquidos conservan solo su volumen y fluyen para adoptar la forma de sus recipientes. Las fuerzas de cohesin y repulsin tienen intensidades parecidas, favoreciendo su extensin a lo largo de superficies.

Estado Gaseoso: Un gas no tiene forma ni volumen y adems de fluir tambin se expande.

Estado Plasmtico : Se considera el cuarto estado fsico de la materia, se produce cuando un gas se somete a muy altas temperaturas, el gas se ioniza totalmente, siendo el plasma una mezcla de iones (tomos con carga elctrica) y electrones libres. Por ejemplo; existe plasma en la superficie del sol, en el interior de los volcanes y en las explosiones nucleares.

El Condensado Bos e Einstein , Quinto Estado de la Materia: El fsico Eric Cornell, Carl Wieman y sus colegas del Instituto Nacional de Estndares y Tecnologas de la Universidad de Colorado (EEUU), lograron crear un estado de la materia diferente de los cuatro hasta ahora conocidos; slido, lquido, gaseoso y plasma.Al enfriar vapores de Rubidio hasta una temperatura rcord de 180 grados nanokelvin, o sea, una millonsima de grado por encima del cero absoluto (equivalente a 273, 15 C), el equipo estadounidense materializ lo que los cientficos denominan cubo de hielo cuntico o condensado de Bose Einstein.

En 1925, el genio alemn y fsico indio Nath Bose postular n que:Si un gas se enfriaba muy por debajo de los 0 C, sus tomos perdern energa, se frenaran y entonces se uniran un s con otros para formar un super tomo inslito. Recientes investigaciones confirmaron este postulado.El condensado presentaba unas propiedades exclusivas. El cubo de hielo cuntico recuerda a una cereza con una picadura de insecto, salvo que su dimetro es de 2 x 1 0 8 mm. As describieron sus observaciones los dos fsicos.Estado Ferminico, Sexto estado de la materia : Durante la ltima semana de enero de 2004, un grupo de fsicos de la Universidad de Colorado, Estados Unidos (en la imagen), cre el sexto estado da materia bautizado con el nombre de condensado ferminico. Para formarlo tambin es necesario alcanzar temperaturas prximas al cero absoluto.A temperaturas tan bajas, los tomos y sus partculas tienen comportamientos muy diferentes dependiendo de su momento angular intrnseco el espn o rotacin de esa partcula.Si un grupo de partculas ocupa un mismo estado cuntico las partculas se llaman bosones una condicin imprescindible para formar un condensado de Bose - Einstein. Los valores del momento angular intrnseco de los bosones son iguales a un nmero entero multiplicado por la Constante de Planck y dividido entre dos pi. Si las partculas no pueden tener el mismo estado cuntico se llaman fermiones. Los fermiones tienen valores no enteros y conforme al Principio de exclusin de Pauli, y a diferencia de los bosones, no pueden ocupar el mismo estado cuntico.Desde 1956, los fsicos saben que en los superconductores la corriente elctrica no es transportada por electrones individuales y s por parejas de electrones ligados. Los electrones son fermiones y, antes de poder formarse un condensado de Bose - Einstein, es preciso su emparejamiento. Los fsicos de Colorado decidieron imitar la formacin de esas parejas pero en vez de electrones produjeron un condensado de parejas de tomos sin estar ligados formando molculas y movindose simultneamente. Los investigadores enfriaron una muestra gaseosa del istopo Potasio - 40 hasta los 300 nanokelvin, un nanokelvin es la mil millonsima parte de un Kelvin. El gas estaba contenido en una cmara de vaco; para manipular y juntar los tomos emplearon campos magnticos y haces de luz lser.El condensado ferminico es una nube de tomos de potasio muy fros con un comportamiento extrao y con las caractersticas de un superconductor. Segn los fsicos de la Universidad de Colorado, el condensado ferminico se sita a medio camino entre los superconductores y los condensados de Bose - Einstein. Aaden que observando el comportamiento de los tomos de potasio se dieron cuenta de la posibilidad de obtener materiales que sean superconductores a temperatura ambiente y que, por lo tanto, puedan conducir electricidad sin perder energa.4. Cambios de Estado de la Materia

Podemos distinguir dos tipos de cambios de estado segn sea la influencia del calor: cambios progresivos y cambios regresivos.

a) Cambios Progresivos: Cambios progresivos son los que se producen al aplicar calor. Estos son:

Sublimacin progresiva: Es la transformacin directa, sin pasar por otro estado intermedio, de una materia en estado slido a estado gaseoso al aplicarle calor.

Fusin. Es la transformacin de un slido en lquido al aplicarle calor. Es importante hacer la diferencia con el punto de fusin, que es la temperatura a la cual ocurre la fusin. Esta temperatura es especfica para cada sustancia que se funde.

Evaporacin. Es la transformacin de las partculas de superficie de un lquido, en gas, por la accin del calor. Este cambio ocurre en forma normal, a temperatura ambiente, en algunas sustancias lquidas como agua, alcohol y otras. Evaporacin se transforma en ebullicin.

Ebullicin.Es la transformacin de todas las partculas del lquido en gas por la accin del calor aplicado. En este caso tambin hay una temperatura especial para cada sustancia a la cual se produce la ebullicin y la conocemos como punto de ebullicin.

b) Cambios Regresivos: Estos cambios se producen por el enfriamiento de los cuerpos.

Sublimacin regresiva.Es el cambio de una sustancia de estado gaseoso a estado slido, sin pasar por el estado lquido.

Solidificacin. Es el paso de una sustancia en estado lquido a slido.Este cambio lo podemos verificar al poner en el congelador un vaso con agua.

Condensacin. cambio de estado de la materia que se encuentra en forma gaseosa a forma lquida. Es el proceso inverso a la vaporizacin.

IonizacinUn gas se transforma en plasma cuando la energa cintica de las partculas del gas se eleva hasta igualar la energa de ionizacin del gas. Cuando alcanza este nivel, las colisiones de las partculas del gas provocan una rpida ionizacin en cascada, y el gas se transforma en plasma. Si se aporta la suficiente energa aplicando calor, la temperatura crtica se situar entre 50.000 y 100.000 K, elevndose a cientos de millones de grados, la temperatura requerida para mantener el plasma. Otro modo de convertir un gas en plasma consiste en hacer pasar electrones de alta energa a travs del gas.La ionizacin es el proceso qumico o fsico mediante el cual se producen iones, stos son tomos o molculas cargadas elctricamente debido al exceso o falta de electrones respecto a un tomo o molcula neutro. A la especie qumica con ms electrones que el tomo o molcula neutros se le llama anin, y posee una carga neta negativa, y a la que tiene menos electrones catin, teniendo una carga neta positiva. Hay varias maneras por las que se pueden formar iones de tomos o molculas.DeionizacinSe le denomina al proceso mediante el cual el plasma pasa de estado de Plasma o gas ionizado a estar en estado gaseoso.

IMPLICACIONES Y APLICACIONES

IMPLICACIONESLas implicaciones de los cambios de estado de la materia, es en primer lugar, prdida o ganancia de energa. Cuando se pasa del lquido al slido hay prdida de energa de la misma manera que hay ganancia cuando pasa del slido al lquido.

Tambin debe haber cambio de temperatura, exceptuando en la licuefaccin donde el cambio de estado de gas a lquido es por presin.

Hay reorganizacin molecular, pues los enlaces con ms energa, son tambin ms dbiles, por lo que los lquidos ya no tienen forma definida y los gases ni forma ni volumen definido.

APLICACIONES

FUSINEl proceso de fusin de la materia es el mismo que el de fundicin, pero este ltimo trmino se aplica generalmente a sustancias como los metales, que se lican a altas temperaturas, y a slidos cristalinos. Cuando una sustancia se encuentra a su temperatura de fusin, el calor que se suministra es absorbido por la sustancia durante su transformacin, y no produce variacin de su temperatura. Este calor adicional se conoce como calor de fusin. El trmino fusin se aplica tambin al proceso de calentar una mezcla de slidos para obtener una disolucin lquida simple.EVAPORACINEl proceso de evaporacin se aplica para separar una sustancia de otra.

DESIONIZACIN

La desionizacin elctrica (EDI) es un proceso continuo y libre de sustancias qumicas para eliminar las impurezas ionizadas e ionizables del agua del suministro usando la corriente elctrica CC.La EDI se utiliza habitualmente para tratar la permeabilidad de la osmosis inversa (RO) y sustituye el intercambio inico de lecho mixto (MB) para producir agua de alta pureza de hasta 18 M/cm.

Aplicaciones: Generacin de energa (alimentacin de caldera y control de NOX) Semiconductores Microelectrnica Productos farmacuticos Alimentacin y bebidas Industrias en general

CRISTALIZACINLa cristalizacin se emplea con bastante frecuencia en Qumica para purificar una sustancia slida.Permite separar sustancias que forman un sistema material homogneo por ejemplo: el agua potable es una solucin formada por agua y sales disueltas en ella. Los tres mtodos ms conocidos son: Evaporacin o capitalizacin, cromatografa y destilacin. La operacin de cristalizacin es el proceso por medio del cual se separa un componente de una solucin lquida transfirindolo a la fase slida en forma de cristales que precipitan. Es una operacin necesaria para todo producto qumico que se presenta comercialmente en forma de polvos o cristales, ya sea el azcar o sacarosa, la sal comn o cloruro de sodio.

SOLIDIFICACINLa solidificacin es un proceso que se utiliza para lapreparacion de aleaciones amorfas que muchas veces requieren elementos aleantes no habituales.

Las aleaciones amorfas son estructuras con propiedades mecanicas y resistencia a la corrosion superiores a las aleaciones normales.

SUBLIMACINLa sublimacin es un proceso que Sirve para separar mezclas mediante una sustancia que del estado slido pasa al vapor sin pasar por el estado lquido. Algunas de las molculas de un slido pueden vibrar muy rpidamente, vencer las fuerzas de cohesin y escapar como molculas gaseosas al espacio libre. Inversamente, al chocar estas molculas gaseosas contra la superficie del slido, pueden quedar retenidas, condensndose el vapor. El equilibrio que tiene lugar cuando la velocidad de sublimacin y la de condensacin son iguales se caracteriza por una presin de vapor que depende de la naturaleza del slido y de la temperatura. Progresiva: gas - solido Regresiva: solido gas Aplicacin industrial: medicina, fotografa y fabricacin de tintes y agentes oxidantes. CONDENSACINLa condensacin es esencial para el proceso de destilacin, un proceso muy importante tanto para el trabajo en el laboratorio como para aplicaciones industriales.El hecho de que la condensacin sea un proceso natural, el llamado roco, provoca que sea de gran utilidad para conseguir agua: Podemos encontrar muchas estructuras creadas con el nico propsito de conseguir agua a partir de la condensacin, como el caso del estanque de roco o un colador para recoger la humedad del aire. Muchos de los sistemas que se usan para recoger agua a partir de la condensacin son usados para aprovechar y mantener la humedad de la tierra en zonas con una avanzada desertificacin en proceso. Algunas organizaciones educan a los habitantes de dichas zonas para ayudarles a afrontar la situacin.

EJEMPLIFICACIN DE ALGUNOS ESTADOS

Los motores de vapor o gasolina, que se mueven gracias al expandimiento de gases que se crean cuando el agua o la gasolina pasa abruptamente de lquido a gas.

La licuefaccin es muy til para el transporte de gases en tanques, pues stos son lquidos en el tanque debido a la presin y al salir se expanden a su estado gaseoso.

La fabricacin de llaves (grifos) para bao se funde latn (fusin). Este latn fundido se vierte en moldes donde toma la forma de la llave y se solidifica (solidificacin). Despus de varios procesos llega al de acabados, y en uno de ellos, se mete a cmaras de vaco junto con barras de ciertos metales (vanadio, por ejemplo), y estos metales son vaporizados por accin elctrica (sublimacin). Los metales vaporizados se depositan sobre la superficie del latn dndole aspecto de recubrimientos ms llamativos y caros como el dorado (sublimacin regresiva).

Los jugos extrados de la caa de azcar son sometidos a temperatura y se vaporizan (vaporizacin). Los vapores as obtenidos pasan por enfriadores donde se licuan (licuacin) y se obtiene alcohol (y/o Ron).

solidificacion: el agua se convierte en hielo condensacion: la lluvia evaporizacion: el agua hierve y se convierte en vapor de agua fusion: un metal que se funde sublimacion: las pastillas de bao, que pasan de solido a gas sin pasar por el edo. liquido

CONCLUSIONES

Materia es todo aquello que tiene localizacin espacial, posee una cierta cantidad de energa, y est sujeto a cambios en el tiempo y a interacciones con aparatos de medida. Existen varios estados en los que se presenta la materia, cinco de los cuales son estos: Slido, Liquido, Gaseoso, Plasma y Bos-Einstein. Los tres primeros estados son los ms comunes y estudiados dentro de la tierra, aunque es el estado de plasma el ms comn en el universo, ya que de este se componen las estrellas, por ejemplo, el quinto estado conocido como Bose-Einstein, es un estado de agregacin nuevo en los registros de la ciencia, pero es tan fro y denso, que se logra cuando un elemento es enfriado a varios puntos bajo lo logrado habitualmente, consiguiendo incluso inmovilizar los tomos, segn dicen los cientficos. Tambin existen otro estados observables bajo condiciones extremas de presin y temperatura como: Condensado de Fermi, el estado de sperslido, superfluido, Materia degenerada, Materia fuertemente simtrica, Materia dbilmente simtrica y la Materia extraa o [Materia de Quarks]

Los cambios de estado de la materia, los ms bsicos, se resumen en la siguiente ilustracin:

RECOMENDACIN

Leer e investigar de diferentes bibliografas nos enriquece en conocimiento.

BIBLIOGRAFA Leyva N. Humberto. Fsica II. Editorial Moshera. Primera Edicin. Per. 2012. Mendoza D. Jorge. Fsica. Octava Edicin. Per.2002 http://recursostic.educacion.es/secundaria/edad/3esofisicaquimica/impresos/quincena3.pdf

ANEXOS

VIDEOS Y APLICACIONESEn el CD adjunto se presenta videos y aplicaciones referente al tema, tal y como se detalla a continuacin:

VIDEOS

Video1: Reportaje de Discovery Channnel acerca de la Materia y sus estados. Video2 : Los 5 estados de la materia Video3 : Procesos de los cambios de estados de la materia

APLICACIN

Laboratorio virtual en los que se puede desarrollar diferentes experimentos en forma virtual.

2