Fundamentos científicos que justifican las observaciones experimentales del taller:

– TRANSFORMACIONES DE LA MATERIA

– EL CALOR Y LA TEMPERATURA

– TCM Y CAMBIOS DE ESTADO DE AGREGACIÓN

TRANSFORMACIONES DE LA MATERIA

La materia puede experimentar transformaciones de dos tipos: físicos y químicos.

En las transformaciones físicas, la materia no cambia su naturaleza, simplemente cambia su aspecto. El cambio de forma de la plastilina al aplicar una presión es una transformación física. El cambio del hielo a agua líquida también es una transformación física. Las moléculas de la sustancia permanecen inalteradas en la transformación.

En las transformaciones químicas, la materia cambia su naturaleza. Las moléculas al final de la transformación son distintas de las del inicio, o lo que es lo mismo, en la transformación unas sustancias se transforman en otras.

Nota: el taller 3 se dedica a la experimentación con transformaciones químicas. 

CALOR y TEMPERATURA

En el Taller 1 se introdujo el concepto de temperatura asociado a la energía cinética promedio del movimiento molecular o energía térmica (Teoría Cinética Molecular). Cuanto mayor sea la energía cinética de las moléculas de un objeto, mayor será su temperatura.

La energía térmica puede transferirse de unos cuerpos a otros. Es a esta transferencia de energía a lo que denominamos calor.  El calor y la energía tienen las mismas unidades, julios (J) en el SI. También el calor y la energía pueden expresarse en calorías (cal), siendo 1 cal= 4,19 J.

La trasferencia de  calor siempre sucede desde los cuerpos a más temperatura (mayor energía térmica) a los cuerpos de menor temperatura (menor energía térmica).

Cuando se transfiere calor a un objeto sus moléculas aumentan su energía cinética, aumentando la velocidad de sus movimientos y aumentando su temperatura. La cantidad de calor que hay que transferir a la unidad de masa de una sustancia para aumentar un grado su temperatura es su calor específico o su capacidad calorífica específica.

El calor específico del agua líquida es 1 cal/g. K. Así, 1 cal es el calor que hay que transferir a un gramo de agua líquida para que aumente un grado su temperatura.

Hay sustancias, como los metales, que transmiten muy bien el calor, son buenos conductores térmicos. Hay otras sustancias, como la madera que conducen/transmiten muy mal el calor, son malos conductores térmicos o buenos aislantes térmicos.  La conductividad térmica es una propiedad específica de la materia que mide su capacidad para transmitir el calor.

ESCALAS TERMOMÉTRICAS

En el SI la unidad fundamental de temperatura es el kelvin (K). Sin embargo, en nuestra vida cotidiana son unas unidades poco usadas. Habitualmente usamos la escala centígrada para expresar las unidades de la temperatura y usamos termómetros para medirla.

Como en el resto de las propiedades medibles de la materia, debe adoptarse un convenio para establecer cuales son las unidades de medida de la temperatura y a qué equivalen.

En la escala centígrada o escala Celsius de temperatura, se toma el agua líquida como sustancia de referencia.

A la presión de 1 atmósfera (atm) la temperatura a la que coexisten el hielo y el agua líquida es 0ºC (punto de fusión).

A la presión de 1 atm, la temperatura a la que coexisten el agua líquida y su vapor es 100ºC (punto de ebullición).

Entre los 0ºC y los 100ºC la variación de la temperatura del agua con el calor absorbido es prácticamente una línea recta. Así pues, un intervalo de temperatura de 1ºC es la 1/100 parte de la temperatura entre el punto de fusión del agua y su punto de ebullición a presión atmosférica.

La escala Kelvin de temperatura se diferencia con la escala centígrada en el punto origen de la escala. En la escala Kelvin, el 0K equivale a -273,15ºC, pero un intervalo de temperatura de 1 K y otro de 1ºC equivalen al mismo intercambio de calor (son iguales). No ocurre igual en la escala Farenheit. 

Figura 1. La escala centígrada de temperatura (izquierda). El origen de la escala K se corresponde con -273,15 ºC.

CAMBIOS DE ESTADO DE AGREGACIÓN, EQUILIBRIOS Y TCM

En la siguiente figura se representa la variación de la temperatura de una sustancia, en este caso agua, en función del tiempo de calentamiento, cuando se calienta con una fuente de calor constante desde que el agua está en estado sólido hasta que está en estado gaseoso. La presión durante el experimento no varía y en este caso es la presión atmosférica.

Figura 2. Variación de la temperatura con el tiempo de calentamiento del agua a presión de 1 atm.

En los tramos de pendiente nula hay presencia de las dos fases (estados de agregación) en equilibrio. A 0ºC sólido-líquido y a 100º líquido-vapor. En los tramos donde sólo hay una fase la variación es prácticamente una línea recta, ya que apenas hay variación del calor específico con la temperatura. Las pendientes de los tres tramos son distintas, ya que los calores específicos del hielo, el agua líquida y el agua vapor son diferentes. Los cambios de fase representados en la figura 2 a medida que el tiempo aumenta son procesos endotérmicos. La materia absorbe calor para pasar de sólido a líquido y de líquido a gas.

Podría recorrerse el camino inverso si se parte de la materia en estado gaseoso y se le quita calor.  En este caso, los procesos serían exotérmicos.

También podría establecerse un equilibrio entre la fase gaseosa y la fase sólida. La figura 3 resumen todos los equilibrios entre fases posibles en la materia. A la temperatura de fusión, Tf, coexisten en equilibrio el sólido y el líquido, a la de vaporización o ebullición, Te, coexisten en equilibrio el líquido y el gas y a la temperatura de sublimación, Ts, coexisten en equilibrio el sólido y el gas. Estos procesos de equilibrio son procesos reversibles y son procesos físicos.

En el agua a la presión de 1 atm no es posible el equilibrio sólido-gas. Para poder tener este equilibrio es necesario tener presiones inferiores a 1 atm.

Figura 3. Procesos de cambios de estado de agregación de la materia

LOS EQUILIBRIOS DE ESTADO Y LA TCM

¿Cómo explica nuestro modelo escolar de materia o lo que es lo mismo, la Teoría Cinética Molecular estos procesos de cambios de fase?

Recordemos algunos aspectos de nuestro modelo. (a) Entre las moléculas existen fuerzas de cohesión (intermoleculares) que las mantienen unidas (b) la intensidad de las fuerzas de cohesión disminuye desde el estado sólido al gaseoso (c) al comunicar calor a la materia aumentamos su energía térmica, aumentamos por tanto su energía cinética y su temperatura. Solo estos enunciados no explican completamente el diagrama de la figura 2. Es decir, no explican porqué a 0ºC y 100ºC hay un intervalo de tiempo en que la pendiente de la variación es nula. 

Nos falta, por tanto, un aspecto más a tener en cuenta en este modelo. Cuando se está en el estado de equilibrio en donde coexisten dos fases, el aporte de calor no se emplea en el aumento de la energía cinética de las moléculas, sino en la rotura de las interacciones intermoleculares.

Volviendo a la figura 2, el calentamiento del hielo se traduce en un aumento de su energía térmica y por tanto, del movimiento de sus moléculas y de su temperatura. Al llegar a 0ºC la energía interna molecular es lo suficientemente alta como para vencer (romper) parte de las interacciones intermoleculares. Todo el calor comunicado al hielo se traduce en rotura de interacciones entre las moléculas de agua y el hielo se empieza a fundir y estará fundiéndose mientras exista fase sólida. En todo este intervalo de tiempo la temperatura no subirá de 0ºC. 

El mismo razonamiento puede emplearse para explicar el aumento de temperatura del agua líquida y su estabilización a 100ºC, en el momento en que el agua comienza a hervir y las moléculas pasan al estado de vapor. A 100ºC el aumento de la energía producido por la absorción de calor se traduce en rotura de prácticamente todas las interacciones entre las moléculas. En el estado de vapor estas interacciones son muy pequeñas, comparadas con las del sólido o el líquido, se podrían considerar despreciables.