¿Qué es el modelo de partículas?
Un modelo es un dibujo sencillo que nos ayuda a explicar cosas. El modelo de partículas dice:
- Toda la materia está hecha de partículas muy pequeñas (átomos, moléculas o iones). Son demasiado pequeñas para verlas.
- Las partículas están siempre en movimiento.
- Entre las partículas hay fuerzas de atracción (una especie de tirón). El tirón es fuerte cuando están cerca.
- Entre las partículas de un gas solo hay espacio vacío, no aire.
Dibujamos las partículas como bolitas. Las partículas reales no son bolas de colores, pero el dibujo explica muchas cosas. La difusión (un olor que se esparce por una habitación, o la tinta que se extiende en el agua) es una buena prueba de que las partículas se mueven solas.
Sólidos, líquidos y gases
| Sólido | Líquido | Gas | |
|---|---|---|---|
| Disposición | Juntas, en filas regulares | Juntas, sin patrón | Muy separadas, al azar |
| Movimiento | Vibran en su sitio | Se deslizan unas sobre otras | Rápido, en línea recta, en todas direcciones |
| Atracción entre ellas | Fuerte | Media | Muy débil |
| Forma / volumen | Forma fija, volumen fijo | Toma la forma del recipiente, volumen fijo | Llena el recipiente, sin volumen fijo |
| ¿Se puede comprimir? | No | Casi nada | Sí, con facilidad |
Densidad
La densidad dice cuánta masa hay en cada metro cúbico: ρ = m ÷ V (kg/m³). Los sólidos y los líquidos son densos porque sus partículas están juntas. Los gases tienen densidad baja porque sus partículas están lejos unas de otras. El agua tiene unos 1000 kg/m³; el aire, unos 1.2 kg/m³.
Calentar: temperatura, energía interna y cambios de estado
La energía interna es la energía total guardada por todas las partículas: su energía de movimiento (cinética) más la energía guardada en la atracción entre ellas (potencial). Calentar una sustancia aumenta su energía interna. Pueden pasar dos cosas:
- Sube la temperatura: las partículas se mueven más rápido. Energía necesaria: E = m × c × ΔT, donde c es el calor específico (la energía para calentar 1 kg en 1 °C).
- Cambia el estado (fusión, ebullición): la temperatura se mantiene. La energía rompe la atracción entre las partículas. Energía necesaria: E = m × L, donde L es el calor latente específico (la energía para cambiar el estado de 1 kg sin cambiar la temperatura).
Nombres de los cambios: fusión (sólido → líquido), solidificación o congelación (líquido → sólido), ebullición o evaporación (líquido → gas), condensación (gas → líquido), sublimación (sólido → gas directamente, como el hielo seco). Un cambio de estado es un cambio físico: la masa se conserva y se puede revertir.
En una gráfica de calentamiento, los tramos planos son los cambios de estado. La evaporación ocurre a cualquier temperatura desde la superficie, cuando escapan las partículas más rápidas; enfría el líquido que queda (el sudor, una botija de barro).
Presión de un gas y temperatura
Las partículas de un gas chocan sin parar contra las paredes del recipiente. Cada choque es un empujoncito. Millones de empujones sobre cada metro cuadrado forman la presión.
- Gas más caliente, mismo volumen: las partículas se mueven más rápido, chocan con las paredes más veces y con más fuerza, así que la presión sube.
- Menor volumen, misma temperatura: las partículas chocan con las paredes más veces, así que la presión sube. Para una masa fija de gas a temperatura constante, p × V se mantiene constante.
El cero absoluto (−273 °C, o 0 K) es la temperatura a la que las partículas tendrían el menor movimiento posible. Temperatura en kelvin = °C + 273.
Pruébalo en casa
Echa unas gotas de colorante alimentario en un vaso de agua fría y otras en un vaso de agua caliente. No remuevas. Predice cuál se extiende más rápido y luego míralo. (Agua caliente: las partículas se mueven más rápido.)
Fórmulas y definiciones clave
- Densidad: ρ = m / V (kg/m³)
- Calentar sin cambio de estado: E = m c ΔT
- Cambio de estado: E = m L (calor latente específico)
- Gas a temperatura constante: p₁V₁ = p₂V₂
- Kelvin = °C + 273
Ejemplos resueltos
1. Un bloque tiene una masa de 2.7 kg y un volumen de 0.001 m³. Calcula su densidad.
ρ = m / V = 2.7 / 0.001 = 2700 kg/m³ (es aluminio).
2. ¿Por qué un gas se puede comprimir pero un sólido no?
Las partículas de un gas tienen grandes espacios vacíos entre ellas, así que al empujar se acercan más. Las partículas de un sólido ya se tocan, y no hay espacio que quitar.
3. ¿Cuánta energía hace falta para calentar 2 kg de agua de 20 °C a 70 °C? (c = 4200 J/kg °C)
E = m c ΔT = 2 × 4200 × 50 = 420 000 J = 420 kJ.
4. ¿Cuánta energía derrite 0.5 kg de hielo a 0 °C? (L = 334 000 J/kg)
E = m L = 0.5 × 334 000 = 167 000 J = 167 kJ. La temperatura se queda en 0 °C todo el tiempo.
5. Una jeringa contiene 60 cm³ de aire a 100 kPa. Se empuja hasta 20 cm³ a la misma temperatura. Calcula la nueva presión.
p₂ = p₁V₁ / V₂ = 100 × 60 / 20 = 300 kPa. Un tercio del volumen da el triple de presión.
6. La resistencia de un hervidor da 2000 J cada segundo. ¿Cuánto tarda en evaporar 0.2 kg de agua que ya está a 100 °C? (L = 2 260 000 J/kg)
E = m L = 0.2 × 2 260 000 = 452 000 J. Tiempo = 452 000 / 2000 = 226 s (unos 3.8 minutos).
Errores comunes
- Decir que las partículas de un sólido no se mueven. Vibran todo el tiempo.
- Pensar que la temperatura sigue subiendo mientras el hielo se derrite. Se queda en 0 °C hasta que todo el hielo se ha derretido.
- Decir que hay aire entre las partículas de un gas. Solo hay espacio vacío.
- Pensar que las partículas se hacen más grandes al calentarse. Las partículas mantienen su tamaño; lo que crece son los espacios entre ellas.