ESTADO SOLIDO Y LIQUIDO

OBJETIVOS:comprender las propiedades generales de los solidos en la base a las fuerzas de interaccion entre sus partículas.diferenciar los tipos de solido critalino y los solidos amorfos, en base a sus propiedades.diferencia los tipos de solidos cristalinos en base a sus partículas que no constituyen ( atomos , iones o moléculas ) y sus propiedades.describir las propiedades generales del estado liquido.interpretar las propiedades intensivas de los liquidos.

1.- ESTADO SOLIDOes un estado de agregación molecular de la materia donde las partículas tienen un movimiento vibratorio es un espacio muy reducido , entre sus partículas predomina la fuerza de cohesion (Fc),

sobre la repulsión (Fr ) .en este estado la materia es rigida , y su volumen es casi independiente de la presión y temperatura , las distancias entre las partículas son pequeñas y desarrollan entre si fuerza de atracción que las mantiene fuertemente unidas, restringiendo su libertad de movimiento .los solidos son denominados “fases condensadas” , las partículas están próximas entre si, de forma que interaccionan fuertemente características de solido :

Tienen forma definida ( son resistentes a la deformación ) .son prácticamente incomprensibles .Normalmente tiene densidades mas elevadas a los líquidos. no son fluidos .se difunden muy lentamente a través de los solidos 1.1. CARACTERISTICAS:

a) Los sólidos tienen volumen constante: debido a que las moléculas de los sólidos están unidas por fuertes fuerzas de atracción.

b) Los sólidos mantienen su forma, por la imposibilidad de las moléculas para trasladarse.

c) Los sólidos son incompresibles, a causa del espacio intermolecular pequeño.

d) Los sólidos no se difunden, porque las moléculas ocupan posiciones fijas.1.2 DIAGRAMA DE FASE:el diagrama de fase es una representación grafica de las relaciones que existen entre los estados SOLIDO , LIQUIDO Y GASEOSO , de una sustancia en función de la temperatura y presión que se le aplique.

Por ejemplo para el diagrama de fase del agua, las áreas de la fifura de arriba , representan los estados solido, liquido y gaseoso, en termino de la presión y temperatura .Si tomamos la presión media de 380 mmHg, observamos que a -150 C el agua es solida a 150 C es liquida y a 1000 C es gas .Las curvas que separan las áreas (fases) son curvas de equilibrio entre las fases.AB representa la LINEA DE EQUILIBRIO entre las fases SOLIDA-GASAC representa la LINEA DE EQUILIBRIO entre las fases LIQUIDO-GASAD representa la LINEA DE EQUILIBRIO entre las fases SOLIDA Y LIQUIDALas tres líneas se cortan en un punto A a este punto se llama el PUNTO TRIPLE donde COEXISTEN LOS ESTADOS EN EQUILIBRIO.¿Qué es el punto triple? Es el punto donde las tres fases están en mutuo equilibrio.¿Qué es la temperatura critica?

Es la temperatura en donde ñas densidades del gas y liquido se igualan.¿Qué es la presión critica?es la presión que se debe aplicar a un gas en su temperatura critica para que pueda licuarse.

1.3.1. TIPOS DE SOLIDOS :Los sólidos cristalino están compuestos por átomos cuya estructura está ordenados de manera regular formando redes cristalina, cuya configuración regular puede alcanzar distancias my grandes.

Una base para clasificar los sólidos cristalinos es la naturaleza de las fuerzas que mantienen unidos los átomos en el ordenamiento de la red cristalina. La energía de cohesión de los átomos en un cristal, depende de las fuerzas de enlace dominantes entre esos átomos.

Los sólidos cristalinos pueden ser de carácter iónicos, covalentes, moleculares o metálicos.

Existe una variedad de sólidos cristalinos tales como la sal de mesa (Cloruro de sodio NaCl) y el azucar (sacarosa C12H22O11). A su vez existen otros elementos con estructura cristalinas como el Silicio, el Germanio y el Galio.

1.3.2SOLIDOS AMORFOS:

Las moléculas de los sólidos amorfos estan distribuidas azarosamente y cuyas propiedades físicas son idénticas en todas las direcciones (isotropia). Constan de una temperatura característica conocida como

Temperatura de transición vitria (Tg) donde sus propiedades suelen experimentar cambios importantes.

Una de las consecuencias qe experimentan los sólido amorfos debido a la disposición de sus partículas, es la diferencia de intensidad que toman las fuerzas intermoleculares entre las mismas, alcansándose la fusión a distintas temperaturas según la proporción de sus partículas, deduciéndose que estos no tienen un punto de fusión definido.

Obtención de sólidos amorfos:

Existen varios métodos de obtención de estos sólidos. Uno de los métodos más antiguos y más empleados es el de la fundición templada, del que se conocen algunas variedades:

· Bloque congelado

· Templado con líquido

· Templado al aire

· Condensación del vapor

Cabe destacar que un mismo compuesto, según su estado de solidificación, puede formar un sólido amorfo o una red cristalina.

Sólido amorfo destacado: Vidrio.

1.3. PROPIEDADES DE LOS SOLIDOS:

Elasticidad: Un sólido recupera su forma original cuando es deformado. Un resorte es un objeto en que podemos observar esta propiedad ya que vuelve a su forma original.

Fragilidad: Un sólido puede romperse en muchos fragmentos (quebradizo).

Dureza: hay sólidos que no pueden ser rayados por otros más blandos. El diamante es un sólido con dureza elevada.

Forma definida: Tienen forma definida, son relativamente rígidos y no fluyen como lo hacen los gases y los líquidos, excepto bajo presiones extremas del medio.

Alta densidad: Los sólidos tienen densidades relativamente altas debido a la cercanía de sus moléculas por eso se dice que son más “pesados”

Flotación: Algunos sólidos cumplen con esta propiedad, solo si su densidad es menor a la del líquido en el cual se coloca.

Inercia: es la dificultad o resistencia que opone un sistema físico o un sistema social a posibles cambios, en el caso de los sólidos pone resistencia a cambiar su estado de reposo.

Tenacidad: En ciencia de los Materiales la tenacidad es la resistencia que opone un material a que se propaguen fisuras o grietas.

Maleabilidad: Es la propiedad de la materia, que presentan los cuerpos a ser labrados por deformación. La maleabilidad permite la obtención de delgadas láminas de material sin que éste se rompa, teniendo en común que no existe ningún método para cuantificarlas.

Ductilidad: La ductilidad se refiere a la propiedad de los sólidos de poder obtener hilos de ellas.

2. ESTADO LIQUIDO

Es un estado de agregación de la materia en forma de fluido altamente incompresible lo que significa que su volumen es, bastante aproximado, en un rango grande de presión. Es el único estado con un volumen definido, pero no forma fija. Un líquido está formado por pequeñas partículas vibrantes de la materia, como los átomos y las moléculas, unidas por enlaces intermoleculares. El agua es, con mucho, el líquido más común en la Tierra y el más abundante. Como un gas, un líquido es capaz de fluir y tomar la forma de un recipiente. A diferencia de un gas, un líquido no se dispersa para llenar cada espacio de un contenedor, y mantiene una densidad bastante constante. Una característica distintiva del estado líquido es la tensión superficial, dando lugar a fenómenos humectantes.

2.1. CARACTERISTICAS DE LOS LIQUIDOS: - No tiene forma definida ( adopta la forma de los recipientes ) tienen volumen definido ( solo son ligeramente comprensibles ) tienen densidad elevada.son fluidos.se difunden a través de otros liquidos.constan de clusters de partículas desordenadas que están bastantes próximas entre si, las partículas poseen movimiento al azar en tres dimensiones.La “MISCIBILIDAD” de dos liquidos se refiere a su habilidad para producir una homogénea mezcla. Los liquidos son ISOTROPICOS. Es decir que no tienen estructura reticular extendida.2.2 TENSION SUPERFICIALLa tensión superficial se debe a que las fuerzas que afectan a cada molécula son diferentes en el interior del líquido y en la superficie. Así, en el seno de un líquido cada molécula está sometida a fuerzas de atracción que en promedio se anulan. Esto permite que la molécula tenga una energía bastante baja. Sin embargo, en la superficie hay una fuerza neta hacia el interior del líquido. Rigurosamente, si en el exterior del líquido se tiene un gas, existirá una mínima fuerza atractiva hacia el exterior, aunque en la realidad esta fuerza es despreciable debido a la gran diferencia de densidades entre el líquido y gas.

2.3. CAPILARIDAD

La capilaridad es una propiedad de los líquidos que depende de su tensión superficial la cual, a su vez, depende de la cohesión del líquido y que le confiere la capacidad de subir o bajar por un tubo capilar.

Cuando un líquido sube por un tubo capilar, es debido a que la fuerza intermolecular o cohesión intermolecular entre sus moléculas es menor que la adhesión del líquido con el material del tubo; es decir, es un líquido que moja. El líquido sigue subiendo hasta que la tensión superficial es equilibrada por el peso del líquido que llena el tubo. Éste es el caso del agua, y esta propiedad es la que regula parcialmente su ascenso dentro de las plantas, sin gastar energía para vencer la gravedad.

Sin embargo, cuando la cohesión entre las moléculas de un líquido es más potente que la adhesión al capilar, como el caso del mercurio, la tensión superficial hace que el líquido descienda a un nivel inferior y su superficie es convexa.

2.4. VISCOSIDAD

La viscosidad es la oposición de un fluido a las deformaciones tangenciales, es debida a las fuerzas de cohesión moleculares. Todos los fluidos conocidos presentan algo de viscosidad, siendo el modelo de viscosidad nula una aproximación bastante buena para ciertas aplicaciones. Un fluido que no tiene viscosidad se llama fluido ideal.

La viscosidad solo se manifiesta en líquidos en movimiento, se ha definido la viscosidad como la relación existente entre el esfuerzo cortante y el gradiente de velocidad. Esta viscosidad recibe el nombre de viscosidad absoluta o viscosidad dinámica. Generalmente se representa por la letra griega \mu .

Se conoce también otra viscosidad, denominada viscosidad cinemática, y se representa por \nu . Para calcular la viscosidad cinemática basta con dividir la viscosidad dinámica por la densidad del fluído \nu = \frac {\mu} {\rho} .1

Existen diversos modelos de viscosidad aplicables a sustancias que presentan comportamientos viscosos de diferente tipo. El modelo o tipo de fluido viscoso más sencillo de caracterizar es el fluido newtoniano, que es un modelo lineal (entre el gradiente de velocidades y las tensiones tangenciales) pero también existen modelos no lineales con adelgazamiento o espesamiento por cortante o como los plásticos de Bingham.

Fluido newtoniano

Esquema que permite entender la resistencia al avance de una placa horizontal sobre la superficie de un fluido newtoniano.

En un fluido newtoniano la fuerza de resistencia experimentada por una placa que se mueve, a velocidad constante \scriptstyle u_0 por la superficie de un fluido viene dada por:

F_R = \mu A \frac{u_0}{h}

donde:

F_R\,, fuerza cortante (paralela a la velocidad).

A\,, área de la superficie del sólido en contacto con el fluido.

\mu\,, coeficiente de viscosidad dinámica.

h\,, altura del nivel de fluido o distancia entre la placa horizontal y el fondo del recipiente que contiene al fluido.

Esta expresión se puede reescribir en términos de tensiones tangenciales sobre la placa como:

\tau_{xy} = \mu \frac{\part u}{\part y}

donde \scriptstyle u es la velocidad del fluido.

UNIDADES:Medidas de la viscosidad

La viscosidad de un fluido puede medirse por un parámetro dependiente de la temperatura llamado coeficiente de viscosidad o simplemente viscosidad:

Coeficiente de viscosidad dinámico, designado como η o μ. En unidades en el SI: [µ] = [Pa·s] = [kg·m−1·s−1] ; otras unidades:

1 poise = 1 [P] = 10-1 [Pa·s] = [10-1 kg·s-1·m-1]

Coeficiente de viscosidad cinemático, designado como ν, y que resulta ser igual al cociente entre el coeficiente de viscosidad dinámica y la densidad del fluido. ν = μ/ρ. (En unidades en el SI: [ν] = [m².s−1]. En el sistema cegesimal es el stokes —St—).

2.5. EVAPORACION

La evaporación es un proceso físico que consiste en el paso lento y gradual de un estado líquido hacia un estado gaseoso. Se puede producir a cualquier temperatura, siendo más rápido cuanto más elevada sea ésta.

La evaporación de agua es importante e indispensable en la vida, ya que el vapor de agua, al condensarse se transforma en nubes y vuelve en forma de lluvia, nieve, niebla o rocío

Equilibrio evaporatorio

Si la evaporación ocurre en un recipiente cerrado, las moléculas que escapan del líquido se acumulan en forma de vapor arriba del líquido. Muchas de esas moléculas regresan al estado líquido. Cuando el proceso de escape y regreso alcanza un equilibrio, el vapor es llamado saturado y no ocurren cambios adicionales en la presión de vapor o en la temperatura del líquido.

Presión de Vapor

Para poder entender muchos fenómenos que suceden en la vida diaria hay que conocer lo que es la presión de vapor.

Descripción

Para simplificar e ilustrar utilicemos el esquema que sigue:

Presión de vapor

Figura 1

En el dibujo de la figura 1 se representa un recipiente cerrado, lleno parcialmente de un líquido (azul).

Este líquido como toda sustancia está constituido por moléculas (bolitas negras), que están en constante movimiento al azar en todas direcciones. Este movimiento errático, hace que se produzcan choques entre ellas, de estos choques las moléculas intercambian energía, tal y como hacen las bolas de billar al chocar; algunas aceleran, mientras otras se frenan.

En este constante choque e intercambio de energía, algunas moléculas pueden alcanzar tal velocidad, que si están cerca de la superficie pueden saltar del líquido (bolitas rojas) al espacio cerrado exterior como gases.

A este proceso de conversión lenta de los líquidos a gases se les llama evaporación.

A medida que más y más moléculas pasan al estado de vapor, la presión dentro del espacio cerrado sobre el líquido aumenta, este aumento no es indefinido, y hay un valor de presión para el

cual por cada molécula que logra escapar del líquido necesariamente regresa una de las gaseosas a él, por lo que se establece un equilibrio y la presión no sigue subiendo. Esta presión se conoce como presión de vapor saturado.

La presión de vapor saturado depende de dos factores:

La naturaleza del líquido.

La temperatura.

Influencia de la naturaleza del líquido

El valor de la presión de vapor saturado de un líquido, da una idea clara de su volatilidad, los líquidos mas volátiles (éter, gasolina, acetona etc) tienen una presión de vapor saturado mas alta, por lo que este tipo de líquidos, confinados en un recipiente cerrado, mantendrán a la misma temperatura, un presión mayor que otros menos volátiles. Eso explica porqué, a temperatura ambiente en verano, cuando destapamos un recipiente con gasolina, notamos que hay una presión considerable en el interior, mientras que si el líquido es por ejemplo; agua, cuya presión de vapor saturado es mas baja, apenas lo notamos cuando se destapa el recipiente.

Influencia de la temperatura

Del mismo modo, habremos notado que la presión de vapor de saturación crece con el aumento de la temperatura, de esta forma si colocamos un líquido poco volátil como el agua en un recipiente y lo calentamos, obtendremos el mismo efecto del punto anterior, es decir una presión notable al destaparlo.

La relación entre la temperatura y la presión de vapor saturado de las sustancias, no es una linea recta, en otras palabras, si se duplica la temperatura, no necesariamente se duplicará la presión, pero si se cumplirá siempre, que para cada valor de temperatura, habrá un valor fijo de presión de vapor saturado para cada líquido.

La explicación de este fenómeno puede se basa en el aumento de energía de la moléculas al calentarse.

Cuando un líquido se calienta, estamos suministrándole energía. Esta energía se traduce en aumento de velocidad de las moléculas que lo componen, lo que a su vez significa, que los choques entre ellas serán mas frecuentes y violentos.

Es fácil darse cuenta entonces, que la cantidad de moléculas que alcanzarán suficiente velocidad para pasar al estado gaseoso será mucho mayor, y por tanto mayor también la presión.

esquema

Figura 2

Punto de ebullición

El efecto de evaporación explicado hasta aquí; donde para cada valor de temperatura, se establece un equilibrio entre las moléculas que abandonan el líquido desde su superficie como gases y las que regresan a él para dar un valor presión, se cumple de igual modo aunque la naturaleza del gas que está estableciendo la presión sea otro diferente a los vapores del propio líquido.

Veamos: supongamos que tenemos un líquido confinado a un recipiente abierto como se muestra en la figura 2, en este caso sobre el líquido actúa el aire a la presión de la atmósfera, si esta presión es mayor que la presión de vapor saturado del líquido a esa temperatura, la evaporación será muy lenta, y se deberá básicamente, a que siempre en el incesante choque entre ellas, alguna de manera esporádica, alcanzará la energía suficiente para pasar al estado gaseoso con la posibilidad de abandonar el recipiente, especialmente si hay alguna corriente de gases que la arrastre.

Si comenzamos a incrementar la temperatura del sistema, cada vez será mayor la cantidad de moléculas que lo abandonen y se irá incrementando gradualmente la evaporación.

Cuando se alcance una temperatura tal, para la cual, el valor de la presión de vapor saturado del líquido en cuestión sea igual al valor de la presión atmosférica, la evaporación se producirá en toda la masa del líquido, se dice entonces que el líquido entra en ebullición (hierve).

Si se ha comprendido hasta aquí podemos ahora definir el punto de ebullición como: