Cilindros con estados de la materia

De Física Itinerante
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Ficha del experimento
Autor(es) original(es) Fernando Peñaloza
Área(s) abarcadas Biología
Nivel de enseñanza Rellenar
Contenido curricular abordado
Rellenar

En esta actividad se pueden observar las características de la materia y sus moléculas en los distintos estados fundamentales: sólido, líquido y gaseoso. Esto se realiza a través de la observación de cilindros que contienen esferas de plumavit en distintas cantidades: están llenos para representar el estado sólido, medio llenos para el esta líquido y casi vacíos para el estado gaseoso. De esta manera, es posible comprender lo que sucede a nivel molecular para que una sustancia se encuentre en un estado de la materia determinado.

Introducción

La materia existe en la naturaleza en tres estados fundamentales y unos cuantos no fundamentales. En esta actividad se estudian los tres fundamentales: sólido, líquido y gaseoso.

Las fuerzas atómicas pueden reducirse a una fuerza de atracción y a otra de repulsión. Entonces, es sencillo caracterizar los estados de la materia según estas fuerzas:

  1. Sólidos: Tienen forma y volumen bien definidos. Sus moléculas están muy cohesionadas dado que la fuerza de atracción es mucho mayor que la de repulsión.
  2. Líquidos: Tienen volumen pero no forma (toman la forma del recipiente que los contiene). La fuerza de atracción está en cierto equilibrio con la de repulsión.
  3. Gases: No tienen volumen ni forma definida (toman la forma del recipiente que los contiene y ocupan todo el espacio disponible). La fuerza de repulsión es mayor que la de atracción, por lo que las moléculas están más bien separadas.

Además, tanto líquidos como gases son fluidos, que pueden cambiar su forma sin que aparezcan fuerzas que los obliguen a volver a su forma original.

Una sustancia puede encontrarse en distintos estados dependiendo de su temperatura y presión, y puede pasar de un estado a otro en transiciones, como se muestra en la Figura 1.

caption Cambios de estado y sus nombres.

Manual de Actividades

Material Educativo Incluido

  1. Cilindro plástico representativo del estado sólido
  2. Cilindro plástico representativo del estado líquido
  3. Cilindro plástico representativo del estado gaseoso

Actividades Propuestas

Se proponen actividades de reconocimiento y se sugiere que los cilindros se usen para exponer. No se requiere interacción directa de los alumnos con el material, aunque se proponen actividades al respecto. El énfasis se coloca en que los alumnos puedan reconocer en qué estado de la materia se encuentran las cosas que ven a diario y las condiciones ante las cuales ese estado podría cambiar.

  1. Dé un ejemplo de un material, sustancia u objeto que se encuentre en la naturaleza en cada uno de los estados.
  2. Si puede, dé un ejemplo de algo que haya visto en los tres distintos estados de la materia.
  3. De los ejemplos que dio en la pregunta 1, ¿cuáles de ellos pueden encontrarse en otros estados de la materia? ¿bajo qué condiciones podrían cambiar de estado? ¿se puede revertir el proceso?

Con los cilindros se puede comprender, a grandes rasgos, el comportamiento a nivel molecular de la materia en los distintos estados. Por ejemplo, se puede fijar la atención en una pelotita y mover el cilindro o agitarlo muy suavemente. ¿Cuánta libertad tiene la pelotita? ¿pudo desplazarse mucho o poco desde su posición inicial?

Contenido Adicional

Preguntas y Respuestas

1. El agua puede presentarse en los tres estados de la materia. ¿Bajo qué condiciones cambia de estado?

Al nivel del mar, el agua pura pasa a estado gaseoso (evaporación) a los 100ºC y se convierte en hielo (solidificación) a los 0ºC.

2. El hielo es sólido y se derrite al dejarlo al sol. ¿Por qué un trozo de hierro, que también es sólido, no se derrite al sol?

La temperatura necesaria para que una sustancia cambie de estado es diferente para cada una. Por ejemplo, el hielo se derrite a temperatura ambiente pero un trozo de hierro se derrite a los 1535ºC.

3. ¿Es posible tener agua a más de 100ºC?

Si. Cuando el agua pasa a estado gaseoso, las moléculas se separan. Ahora, imagina que realizamos este proceso en un recipiente que tenga un volumen igual al del agua contenida, de forma que no permita que las moléculas se separen. En esa condición, si seguimos aumentando la temperatura el agua se mantendrá líquida aunque esté a más de 100ºC. Sin embargo, esto ocurrirá solo hasta cierta temperatura (374ºC, la llamada temperatura crítica del agua), a la cual el agua se convertirá en gas de todas formas y se encontrará a una presión mucho mayor que la que tendría el vapor a 100ºC.

Del mismo modo, podría tenerse hielo a más de 0ºC.

4. El agua de mar se congela a los -2ºC. ¿Por qué?

El agua de mar no es pura y para nuestros objetivos debe considerarse como una sustancia distinta al agua pura. Como se vio antes, dos sustancias distintas tienen temperaturas de cambio de estado distintas, lo que explica que el agua de mar se congele a -2ºC. Dato: algunas veces, para quitar la nieve de las calles se esparce sal sobre ella. De esa forma se vuelve líquida y escurre.

Preguntas Propuestas

  1. Según las características que se entregaron al comienzo sobre los sólidos, los líquidos y los gases decida si el modelo representado por los cilindros es totalmente bueno o no, y diga por qué.
  2. En el 2015 se detectó agua líquida en Marte. En algunas zonas, el agua se encuentra entre los -23ºC y los 0ºC. ¿Cómo es esto posible? (Pista: el agua es salada)