Tarea 1

¿Qué es materia?

Es  todo aquello que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio.

Si la materia tiene masa y ocupa un lugar en el espacio significa que es cuantificable, es decir, que se puede medir.

¿Cómo se compone la materia?

La materia está integrada por átomos, partículas diminutas que, a su vez, se componen de otras aún más pequeñas, llamadas partículas subatómicas, las cuales se agrupan para constituir los diferentes objetos.

Propiedades de la materia

Las propiedades de la materia corresponden a las características específicas por las cuales una sustancia determinada puede distinguirse de otra. Estas propiedades pueden clasificarse en dos grupos:

Propiedades físicas: dependen fundamentalmente de la sustancia misma. Pueden citarse como ejemplo el color, el olor, la textura, el sabor, etc.

Propiedades químicas: dependen del comportamiento de la materia frente a otras sustancias. Por ejemplo, la oxidación de un clavo (está constituido de hierro).

Las propiedades físicas pueden clasificarse a su vez en dos grupos:

Propiedades físicas extensivas: dependen de la cantidad de materia presente. Corresponden a la masa, el volumen, la longitud.

Propiedades físicas intensivas: dependen sólo del material, independientemente de la cantidad que se tenga, del volumen que ocupe, etc. Por ejemplo, un litro de agua tiene la misma densidad que cien litros de agua.

¿Qué es fuerza?

Cuando hablamos de fuerza, estamos refiriendo a una magnitud física que se manifiesta de manera lineal y representa la intensidad de intercambio entre dos partículas o cuerpos (sistema de partículas). A partir de la fuerza, se puede modificar el movimiento o la forma de los cuerpos. La fuerza, como magnitud, tiene un sistema de unidad y puede manifestarse de diferentes maneras.

Dentro del SIU (Sistema Internacional de Unidades) la fuerza es representada por el newton, que es su unidad de medida, cuyo símbolo es N (ene mayúscula). Este nombre se debe a quien ha realizado significativos aportes en la física respecto al estudio de las fuerzas, el científico Isaac Newton.

¿Qué es energía?

Este concepto de energía esta relacionado con la capacidad de generar movimiento o lograr la transformación de algo.

En el ámbito económico y tecnológico, la energía hace referencia a un recurso natural y los elementos asociados que permiten hacer un uso industrial del mismo.
Para la física, la energía es una magnitud abstracta que está ligada al estado dinámico de un sistema cerrado y que permanece invariable con el tiempo. Se trata de una abstracción que se le asigna al estado de un sistema físico. Debido a diversas propiedades (composición química, masa, temperatura, etc.), todos los cuerpos poseen energía.

¿Qué son las sustancias puras?

Tipo de materia que está formada por átomos o moléculas todas iguales. A su vez estas se clasifican en sustancias puras simples y compuestos químicos. Para definir estos dos tipos de sustancias puras hay dos formas. Empecemos por la primera.

 Sustancias Puras Simples: están formadas por átomos todos iguales o moléculas con átomos iguales. Ojo hay elementos como el oxígeno que si lo miramos por un microscopio está formado todo por átomos de oxígeno iguales, pero agrupados de dos en dos, es decir agrupado en moléculas de O2, pero como los átomos que forman estas moléculas son iguales (oxigeno-oxigeno) se considera sustancia pura simple. Si tenemos un trozo de hierro puro y lo miramos por el microscopio veremos que está formado solo por átomos de Hierro, por lo tanto también es una sustancia pura simple. Las sustancias puras simples también se pueden llamar elementos, ya que las conocidas forman la llamada tabla periódica de los elementos.

      Compuestos Químicos : Formados por moléculas todas iguales. En este caso los átomos que forman las moléculas tienen que ser diferentes. Por ejemplo el agua, cuya fórmula es H₂O, moléculas todas iguales, y cada molécula estará formada por dos átomos de hidrógeno (H) y uno de oxígeno (O).

¿Qué es un diagrama de fases?

Son representaciones gráficas de las fases que están presentes en un sistema de materiales a varias temperaturas, presiones y composiciones. La mayoría de los diagramas de fase han sido construidos según condiciones de equilibrio (condiciones de enfriamiento lento), siendo utilizadas por ingenieros y científicos para entender y predecir muchos aspectos del comportamiento de los materiales. Los diagramas de fases más comunes involucran temperatura versus composición.

¿Qué es potencia?

Es la cantidad de trabajo que se realiza por unidad de tiempo. Puede asociarse a la velocidad de un cambio de energía dentro de un sistema, o al tiempo que demora la concreción de un trabajo. Por lo tanto, es posible afirmar que la potencia resulta igual a la energía total dividida por el tiempo.

¿Qué es presión?

Es una magnitud física que mide la proyección de la fuerza en dirección perpendicular por unidad de superficie, y sirve para caracterizar cómo se aplica una determinada fuerza resultante sobre una línea. En el Sistema Internacional de Unidades la presión se mide en una unidad derivada que se denomina pascal (Pa) que es equivalente a una fuerza total de un newton (N) actuando uniformemente en un metro cuadrado  (m²). En el Sistema Inglés la presión se mide en libra por pulgada cuadrada (pound per square inch o psi) que es equivalente a una fuerza total de una libra en una pulgada cuadrada.

¿Cuáles son los Sistemas de Unidades?

Un sistema de unidades es un conjunto de unidades de medida consistente, normalizado y uniforme. En general definen unas pocas unidades de medida a partir de las cuales se deriva el resto. Existen varios sistemas de unidades:

·         Sistema Internacional de Unidades (SI): es el sistema más moderno y más usado en la actualidad. Sus unidades básicas son: el metro, el kilogramo, el segundo, el amperio, el kelvin, la candela y el mol. Las demás unidades son derivadas del Sistema Internacional.

·         Sistema Métrico Decimal: primer sistema unificado de medidas.

·         Sistema Cegesimal de Unidades (CGS): denominado así porque sus unidades básicas son el centímetro, el gramo y el segundo. Fue creado como ampliación del sistema métrico para usos científicos.

·         Sistema Natural: en el cual las unidades se escogen de forma que ciertas constantes físicas valgan exactamente la unidad.

·         Sistema Técnico de Unidades: derivado del sistema métrico con unidades del anterior. Este sistema está en desuso.

·         Sistema anglosajón de unidades: es el sistema anglosajón tradicional. En 1824 fue normalizado en el Reino Unido con el nombre de Sistema Imperial, cuyo uso se mantiene en la vida corriente de este país. También fue normalizado en los Estados Unidos, con algunas diferencias sobre el Sistema Imperial, y este último solo se utiliza como sistema legal en Estados Unidos y en Liberia.

¿Qué es volumen?

Según el Sistema Internacional de Unidades, el volumen es representado por el metro cúbico. En la vida cotidiana el litro también puede ser considerado como una unidad del volumen. Además este sistema permite catalogar al volumen en tres clases.

1. En primer lugar pueden ser mencionadas las unidades de capacidad. Este tipo de unidades son utilizadas para calcular el espacio que ocupan las cosechas que se hayan almacenadas, por ejemplo  gracias a ella se calcula el volumen de papas, zanahorias, manzanas, etc.  Si bien este sistema ya ha sido reemplazado por nuevas tecnologías, en la antigüedad resultaba una práctica corriente ya que no existían otros métodos más adecuados.
2. En segundo lugar pueden ser mencionadas las unidades de volumen en estado líquido. Este tipo de unidades se utilizan para calcular el espacio que ocupan los líquidos cuando se encuentran en un recipiente. La unidad elemental es en este caso el decímetro cúbico.
3. En tercer y último lugar se pueden mencionar las unidades de volumen en estado sólido. En este caso el volumen es calculado por medio de unidades que son elevadas a la tercera potencia. Estas serán siempre unidades de longitud. Esta es una práctica muy utilizada en la disciplina de la geometría y es de allí de donde proviene su nombre. En este caso el metro cúbico es la unidad elemental. Uno de sus múltiplos es el kilómetro cúbico, mientras que uno de sus submúltiplos es el centímetro cúbico.

¿Qué es calor?

En este sentido, el calor puede generarse a partir de una reacción química (como la combustión), una reacción nuclear (como aquellas que se desarrollan dentro del Sol) o una disipación (ya sea mecánica, fricción, o electromagnética, microondas).

Es importante tener en cuenta que los cuerpos no tienen calor, sino energía interna. Cuando una parte de esta energía se transfiere de un sistema o cuerpo hacia otro que se halla a distinta temperatura, se habla de calor. El traspaso de calor se producirá hasta que los dos sistemas se sitúen a idéntica temperatura y se alcance el denominado equilibrio térmico.

¿Qué es temperatura?

La temperatura es una medida del calor o energía térmica de las partículas en una sustancia. Como lo que medimos en sus movimiento medio, la temperatura no depende del número de partículas en un objeto y por lo tanto no depende de su tamaño. Por ejemplo, la temperatura de un cazo de agua hirviendo es la misma que la temperatura de una olla de agua hirviendo, a pesar de que la olla sea mucho más grande y tenga millones y millones de moléculas de agua más que el cazo.

¿A que se refiere el sistema cerrado?

La idea de sistema cerrado se emplea sobre todo en la física y en la química para nombrar al conjunto de elementos que se encuentra aislado del entorno y que no desarrolla interacciones con los agentes que están ubicados fuera de él.

El sistema cerrado, de este modo, no tiene conexiones con lo externo. Los valores de sus variables dependen únicamente de los factores que contiene el propio sistema ya que no mantiene relaciones ni está influenciado por el afuera.

¿A que se refiere el sistema abierto?

La termodinámica, por lo tanto, es una disciplina científica cuyo objeto de estudio es el intercambio energético entre un cuerpo y el ambiente. En este contexto, podemos decir que un sistema termodinámico es un conjunto de cuerpos que es aislado del entorno para su estudio.

Dicho aislamiento puede producirse de forma real a través de un campo experimental o de manera ideal (teórica). La finalidad siempre es estudiar los intercambios de energía y de materia que se producen en el interior del sistema.

Leyes de los gases ideales

Leyes de los gases ideales

En primer lugar empezamos diciendo que un gas ideal será aquel en el que las moléculas que lo forman tienen volumen cero y los choques entre ellas son perfectamente elásticos. Los gases ideales no existen aunque podemos considerar que los gases de masa molecular no muy alta a presiones no muy bajas y a temperaturas no excesivamente bajas se comportan como gases ideales.

Ley de Boyle - Mariotte (gases ideales)

Relaciona el volumen y la presión de una cantidad de gas a temperatura constante. "El producto de ambas variables es constante para una cantidad de gas a temperatura constante". La presión y el volumen son inversamente proporcionales. Es decir si la presión aumenta el volumen disminuye y si la presión disminuye el volumen aumenta.

P1·V1 = P2·V2

(para T constante)

Ley de Charles - Gay Lussac (gases ideales)

Es una de las leyes de los gases ideales. Relaciona el volumen y la temperatura de una cierta cantidad de gas ideal, mantenido a una presión constante, mediante una constante de proporcionalidad directa. En esta ley, Charles dice que a una presión constante, al aumentar la temperatura, el volumen del gas aumenta y al disminuir la temperatura el volumen del gas disminuye.

V1 / T1 = V2 / T2

(para P constante)

Por otra parte si el volumen es constante, el cociente entre la presión y la temperatura es constante:

P1 / T1 = P2 / T2

(para V constante)

Ecuación general de los gases ideales.

Combinando todas las leyes anteriores se llega a la expresión:

P1 V1 / T1 = P2V2 / T2

Si la cantidad de materia que tenemos es 1 mol en condiciones normales (1atm y 0K) ocupará un volumen de 22,4 L. Esto significa que el producto:

P0 V0 / T0 = 1atm·22,4L / 273 Kmol = 0,082 atm L K-1mol-1 = R

Por esta razón y para n moles siendo las condiciones de presión y temperatura cualesquiera podemos poner que:

PV = nRT

 Leyes de la termodinámica

Ley Cero de la Termodinámica

A esta ley se le llama de "equilibrio térmico". El equilibrio térmico debe entenderse como el estado en el cual los sistemas equilibrados tienen la misma temperatura.

Esta ley dice "Si dos sistemas A y B están a la misma temperatura, y B está a la misma temperatura que un tercer sistema C, entonces A y C están a la misma temperatura". Este concepto fundamental, aun siendo ampliamente aceptado, no fue formulado hasta después de haberse enunciado las otras tres leyes. De ahí que recibe la posición cero.

Un ejemplo de la aplicación de esta ley lo tenemos en los conocidos termómetros.

Primera Ley de la Termodinámica

Esta primera ley, y la más importante de todas, también conocida como principio de conservación de la energía, dice: "La energía no puede ser creada ni destruida, sólo puede transformarse de un tipo de energía en otro".

La primera ley de la termodinámica da una definición precisa del calor, y lo identifica como una forma de energía. Puede convertirse en trabajo mecánico y almacenarse, pero no es una sustancia material.

Experimentalmente se demostró que el calor, que originalmente se medía en unidades llamadas calorías, y el trabajo o energía, medidos en julios, eran completamente equivalentes. Una caloría equivale a 4,186 julios.

Segunda Ley de la Termodinámica

La segunda ley dice que "solamente se puede realizar un trabajo mediante el paso del calor de un cuerpo con mayor temperatura a uno que tiene menor temperatura". Al respecto, siempre se observa que el calor pasa espontáneamente de los cuerpos calientes a los fríos hasta quedar a la misma temperatura.

La segunda ley de la termodinámica da, además, una definición precisa de una propiedad llamada entropía (fracción de energía de un sistema que no es posible convertir en trabajo).

Para entenderla, la entropía puede considerarse como una medida de lo próximo o no que se halla un sistema al equilibrio; también puede considerarse como una medida del desorden (espacial y térmico) del sistema.

Tercera Ley de la Termodinámica

El tercer principio de la termodinámica afirma que "el cero absoluto no puede alcanzarse por ningún procedimiento que conste de un número finito de pasos. Es posible acercarse indefinidamente al cero absoluto, pero nunca se puede llegar a él".

Es importante recordar que los principios o leyes de la Termodinámica son sólo generalizaciones estadísticas, válidas siempre para los sistemas macroscópicos, pero inaplicables a nivel cuántico.

Asimismo, cabe destacar que el primer principio, el de conservación de la energía, es una de las más sólidas y universales de las leyes de la naturaleza descubiertas hasta ahora por la ciencia.