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1. Estados de agregación de la materia.

 ¿A qué llamamos materia?

La materia es la sustancia física del Universo, es cualquier cosa que tiene masa y ocupa un espacio

Al tocar un cuerpo notamos mediante nuestros sentidos que es firme porque soporta la presión que se ejercemos sobre ella (lápiz) o qué es blando por la facilidad de deformarse (plastilina), etc. La materia presenta características que la distinguen.

 

Aquellas propiedades que presentan los cuerpos sin distinción reciben el nombre de propiedades Generales, algunas de estas propiedades reciben el nombre de propiedades Extensivas e Intensivas 

¿Qué estados de materia conoces?

Generalmente decimos que tres: sólido, líquido y gaseoso, sin embargo, hay algunos otros como el plasma.

Existe una correlación entre los tres estados de agregación que tienen que ver con los fenómenos que ocurren en nuestro planeta y es la transición de un estado a otro, es decir, los cambios de estado de agregación de la materia.

¿Cómo se producen estos diferentes estados de la materia?

Gracias a la Teoría Cinético Molecular, se refiere a que los átomos y moléculas están en movimiento constante, mientras más energía hay mayor es el movimiento molecular y la temperatura percibida. Un punto importante es que la cantidad de energía que tienen los átomos (y por consiguiente la cantidad de movimiento) influye en su interacción. 

Los átomos que tienen relativamente pequeñas cantidades de energía (y movimiento) interactuarán fuertemente entre sí, mientras que aquellos con relativamente altas cantidades de energía interactuarán poco.

Sólidos

Los átomos que tienen poca energía interactúan mucho y tienden a “encerrarse” y no interactúan con otros átomos. Estos átomos se mantienen en movimiento, pero es sólo vibracional y las moléculas se mantienen fijas vibrando unas al lado de otras.

Líquidos

Los líquidos se forman cuando la energía (usualmente en forma de calor) de un sistema aumenta y la estructura rígida del estado sólido se rompe. Aunque en los líquidos las moléculas pueden moverse y chocar entre sí, se mantienen relativamente cerca. 

Tienen forma indefinida, pero volumen definido.

 

Gases

Los gases se forman cuando la energía de un sistema excede todas las fuerzas de atracción entre moléculas, así interactúan poco, chocando casi ocasionalmente.

En este estado las moléculas se mueven rápidamente y son libres de circular en cualquier dirección, extendiéndose en grandes espacios. 

Los gases se expanden para llenar los contenedores donde se encuentren y tienen una densidad baja. 

Debido a que las moléculas individuales están ampliamente separadas los gases pueden ser comprimidos y tienen forma indefinida.

Cambios de estados de agregación de la materia.

Cuando se habla de cambios de estado de agregación de la materia, hay que tener presente que cada sustancia cambia de estado a valores específicos de temperatura y de presión. De hecho, la temperatura a la que ocurre un cambio de estado es una característica específica de cada sustancia.

Práctica Experimental. Evaporación y condensación del agua dulce y del agua salada

2. Ley de Hooke

Cuando aplicas una fuerza a un resorte, probablemente este se alargará. Si duplicas la fuerza, el alargamiento también se duplicará. Esto es lo que se conoce como la ley de Hooke.

La ley de Hooke establece que el alargamiento de un resorte es directamente proporcional al módulo de la fuerza que se le aplique, siempre y cuando no se deforme permanentemente dicho resorte.

F=k⋅(x−x0)

donde:

• F es el módulo de la fuerza que se aplica sobre el resorte.
• k es la constante elástica del muelle, que relaciona fuerza y alargamiento. Cuanto mayor es su valor más trabajo costará estirar el resorte. Depende del resorte, de tal forma que cada uno tendrá la suya propia.
• x0 es la longitud del resorte sin aplicar la fuerza.
• x es la longitud del resorte con la fuerza aplicada.

Si al aplicar la fuerza, deformamos permanentemente el resorte decimos que hemos superado su límite de elasticidad. 

Ejercicio aplicando la fórmula

Si aplicamos a un muelle una fuerza de 140 N, este alcanza una longitud de 15 cm. Si por el contrario aplicamos una fuerza de 20 N, su longitud pasa a ser de 10 cm. Calcula la longitud que tiene el muelle en reposo y su constante elástica.

Datos

Caso 1
F1 = 140 N
y1 = 15 cm = 0.15 m

Caso 2
F2 = 100 N
y2 = 10 cm = 0.1 m

k = ?
y0 =?

Resolución

Aplicando la expresión de la ley de Hooke para los dos casos que se exponen en el problema, podemos ver que tenemos un sistema de dos ecuaciones con dos incognitas, donde las incognitas son precisamente los datos que nos piden en el problema: la constante elástica (k) y lo que mide el resorte en reposo (y). 

¿Qué sucede cuando un material se deforma?

En la mayoría de los materiales, la deformación que experimentan cuando se les aplica un pequeño esfuerzo depende de la tensión de los enlaces químicos dentro de ellos. La rigidez del material está directamente relacionada con la estructura química de éste y de los tipos de enlaces químicos presentes. Lo que sucede cuando se quita el esfuerzo depende de hasta qué punto los átomos se han movido. En general hay dos tipos de deformación:

1. Deformación elástica. Cuando se quita el esfuerzo, el material regresa a la forma que tenía originalmente. La deformación es reversible y no es permanente.

2. Deformación plástica. Esta ocurre cuando se aplica un esfuerzo tan grande a un material que al retirarlo el material no regresa a su forma anterior. Hay una deformación permanente e irreversible. Llamamos límite elástico del material al valor mínimo de esfuerzo necesario para producir una deformación plástica.

3. Módulo de Young ó módulo de elasticidad longitudinal.

El Módulo de Young, también llamado de elasticidad longitudinal, es un parámetro que consigue revelar el comportamiento de un material elástico en función de la tipología de fuerza que se le aplique y el consiguiente aumento o disminución de la longitud de ese material. Por lo tanto, lo que busca es obtener la relación que se da entre la tensión que se le aplica al objeto en su eje longitudinal y la deformación medida en ese mismo eje. Así, mide su comportamiento elástico y pronostica también el estiramiento de un material determinado

Aplicaciones

En definitiva, el módulo de Young es vital a la hora de determinar la resistencia de un material u objeto a la tracción.

El módulo de Young sirve para estudiar los cambios producidos en un material cuando se le aplica una fuerza de tracción o de compresión a nivel externo. Es muy útil en materias como la ingeniería o la arquitectura.

Por ejemplo, se pueden comparar dos barras hechas de aluminio con distintas dimensiones. Cada una tiene diferente área de sección transversal y longitud, y ambas son sometidas a una misma fuerza de tracción.

El comportamiento esperado será el siguiente:

• A mayor grosor (sección transversal) de la barra, menos estiramiento.
• A mayor longitud inicial, mayor estiramiento final.
• A mayor longitud, mayor deformación.
• A mayor módulo de Young, menor deformación.

Las unidades del esfuerzo corresponden a newton/metro cuadrado (N/m2). Son también las unidades de la presión, que en Sistema Internacional llevan el nombre de Pascal. La deformación unitaria  ΔL/L en cambio, es adimensional por ser el cociente entre dos longitudes.

Las unidades del sistema inglés son lb/plg2 y también se emplean con mucha frecuencia. El factor de conversión para ir de una a otra es: 14.7 lb/plg2 = 1.01325 x 105 Pa

Esto lleva a que el módulo de Young tenga también unidades de presión. Finalmente, la ecuación anterior puede expresarse para despejar Y:

En la ciencia de los materiales, la respuesta elástica de estos ante diversos esfuerzos es importante para seleccionar los más adecuados en cada aplicación, ya sea fabricar el ala de un avión o un rodamiento automotriz. Las características del material a emplear son decisivas en la respuesta que se espera de él.

Para escoger el mejor material, es necesario conocer los esfuerzos a los que va a estar sometida determinada pieza; y en consecuencia seleccionar el material que tenga las propiedades más acordes con el diseño.

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4. Principio de Pascal

Presión. A la fuerza normal por unidad de área se le llama presión. La presión P esta dada por la ecuación: 

Donde:

A mayor fuerza aplicada, mayor presión y a mayor área sobre la cuál actúa la fuerza, menor presión.

El sólido es un cuerpo rígido, puede soportar que se le aplique una fuerza sin cambiar apreciablemente su forma. Por otra parte, un liquido puede soportar una fuerza únicamente en un superficie o frontera cerrada. 

• La fuerza que ejerce un fluido sobre las paredes del recipiente que lo contiene siempre actúa en forma.
• Los fluidos ejercen presión en todas direcciones perpendicular a esas paredes.

Podemos calcular la presión ejercida por los líquidos en un punto determinado o Presión hidrostática, considerando la densidad del líquido y la profundidad a la que se encuentre el punto.

                                                                     

                         Donde:

Cualquier líquido en un recipiente abierto, por ejemplo, está sujeto a la presión atmosférica además de la presión externa de la atmósfera se transmite por igual a través del volumen del líquido. 

4.1. Principio de Pascal parte 2

Blaise o Blas Pascal; nació en Clermont-Ferrand, Francia en 1623 y murió en Paris, 1662. Filósofo, físico y matemático francés. Genio precoz y de clara inteligencia, su entusiasmo juvenil por la ciencia se materializó en importantes y precursoras aportaciones a la Física y a las matemáticas. 

La presión ejercida sobre un fluido incompresible y en equilibrio dentro de un recipiente de paredes indeformables se transmite con igual intensidad en todas las direcciones y en todos los puntos del fluido.

Se puede resumir afirmando que toda presión ejercida hacia un fluido, se propagará sobre toda la sustancia de manera uniforme.​ El principio de Pascal puede comprobarse utilizando una esfera hueca, perforada en diferentes lugares y provista de un émbolo. Al llenar la esfera con agua y ejercer presión sobre ella mediante el cual el émbolo, se observa que el agua sale por todos los agujeros con la misma velocidad y por lo tanto con la misma presión.

También se puede observar aplicaciones del principio de Pascal en las prensas hidráulicas, en los elevadores hidráulicos, en los frenos hidráulicos, en los puentes hidráulicos y en los gatos hidráulicos.

Ejemplo de ejercicio empleando la fórmula

Más ejemplos:

5. Principio de Arquímedes

Arquímedes de Siracusa (en griego antiguo, Ἀρχιμήδης Arkhimḗdēs; Siracusa (Sicilia), ca. 287 a. C.-ibidem, ca. 212 a. C.) fue un físico, ingeniero, inventor, astrónomo y matemático griego. Aunque se conocen pocos detalles de su vida, es considerado uno de los científicos más importantes de la Antigüedad.

Arquímedes descubrió que un cuerpo, al ser sumergido parcial o totalmente en el interior de un fluido, experimenta una fuerza hacia arriba, llamada fuerza de empuje o, simplemente, empuje, cuyo módulo es igual al peso del fluido que desplaza.

El aumento del nivel de agua en el jarro es el mismo que se tendría si, en vez de poner la piedra en el jarro, se vertiera en él un volumen de agua igual al volumen de la piedra.

Resulta que el empuje que recibe cualquier cuerpo sumergido será igual al volumen sumergido multiplicado por el peso específico del fluido que se trate, es decir:

Ejemplos de ejercicios: 

6. Ecuación de Continuidad

Hidrodinámica

La hidrodinámica es la parte de la hidráulica que estudia el comportamiento de los fluidos en movimiento. Los fluidos son sustancias capaces de fluir y que se adaptan a la forma del recipiente que los contiene: líquidos y gases.

Las aplicaciones de la hidrodinámica se presentan en el diseño de canales, presas, diseño de sistemas de riego, puertos, diseño de los cascos de los barcos, hélices, turbinas, diseño de sistemas de suministro de agua, diseño de formas aerodinámicas de aviones, trenes, autos, y ductos en general.

Gases en movimiento

Sostén una tira de papel debajo de tu labio inferior y sopla fuertemente sobre la parte superior. ¿Qué sucedió? 

La tira de papel ascendió, porque la velocidad de este, disminuye la presión en la parte superior del papel y la presión atmosférica lo empuja hacia arriba.

Líquidos en movimiento

Es importante poder determinar la cantidad de un líquido que fluye a través de tuberías y, también, el cambio de presión en las mismas al aumentar o disminuir su sección transversal, entre otras propiedades.

Gasto. Es el volumen de fluido que pasa a través del área de la sección transversal de un tubo, en la unidad de tiempo. Lo anterior quiere decir que el gasto es la relación que existe entre el volumen de líquido que fluye por un conducto y el tiempo que tarda en fluir.

La ecuación de continuidad es un caso particular del principio de conservación de la masa. Se basa en que el caudal (Q) del fluido ha de permanecer constante a lo largo de toda la conducción.

Ejercicios:

7. Teorema de Bernoulli .

En este enfoque de dinámica de fluidos simplificado se acostumbra considerar cuatro características de un fluido ideal:

1.  Flujo constante, implica que todas las partículas de un fluido tienen la misma velocidad al pasar por un punto.
2.  Flujo irrotacional, significa que un elemento de fluido (un volumen pequeño del fluido) no posee una velocidad angular neta, esto elimina la posibilidad de remolinos, (el flujo no es turbulento).
3.  Flujo no viscoso, implica que la viscosidad es insignificante.
4.  Flujo incompresible, significa que la densidad del fluido es constante.

Este problema lo estudió por primera vez Daniel Bernoulli en 1738, en su tratado de Hidrodinámica, creando lo que conocemos como Principio de Bernoulli.

La conservación de la energía, o el teorema general del trabajo-energía, nos lleva a una relación muy general para el flujo de fluidos. El primero en deducir esta relación fue el matemático suizo Daniel Bernoulli (1700-1782).

“El trabajo total externo, aplicado a un sistema de flujo estacionario de un fluido ideal, es igual al cambio de la energía mecánica del sistema”.

El Principio de Bernoulli establece que:

La suma de las energías cinética y potencial y de presión que tiene el líquido en un punto, es igual a la suma de estas energías en otro punto cualquiera.

Ejemplo de ejercicio:

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8. Teorema de Torricelli. 

Este se enfoca en estudiar un líquido que se encuentra dentro de un recipiente, y que fluye a través de un orificio gracias a la acción de fuerzas gravitacionales. Es así como permite calcular la velocidad de salida del fluido por un agujero. 

                                                    

Se declara que la velocidad con que fluye un líquido contenido en un recipiente abierto a través de un orificio, es similar a la velocidad de un cuerpo que cae al vacío desde la misma altura a la que se encuentra el líquido, hasta el centro de gravedad del orifico.

Para el cálculo de la velocidad de flujo de un líquido por un orificio en un recipiente, se debe aplicar la siguiente ecuación:

Vt=2.g.(h+u022.g)

Teniendo de esta manera:

• Vt= velocidad teórica del líquido a la salida por el agujero en el recipiente

• u0= velocidad inicial

• h = distancia

• g = aceleración de la gravedad     

Ejemplo de ejercicios.

Medir nuevamente la altura de la columna de agua que hay en cada uno de los orificios y determina la presión hidrostática. 

9. Escalas de Temperatura.

 ¿Qué es Temperatura?

La temperatura es una magnitud física que indica la energía interna de un cuerpo, de un objeto o del medio ambiente en general, medida por un termómetro.

Dicha energía interna se expresa en términos de calor y frío, siendo el primero asociado con una temperatura más alta, mientras que el frío se asocia con una temperatura más baja.

Las unidades de medidas de la temperatura son:

• Celsius :Fue un astrónomo suizo que inventó la escala centígrada en 1742. Celsius escogió el punto de fusión del hielo y el punto de ebullición del agua como sus dos temperaturas de referencia para dar con un método simple y consistente de un termómetro de calibración. 

• Kelvin : Fue un físico Escocés que inventó la escala en 1854. La escala Kelvin está basada en la idea del cero absoluto, la temperatura teórica en la que todo el movimiento molecular se para y no se puede detectar ninguna energía.

La teoría, el punto cero de la escala Kelvin es la temperatura más baja que existe en el universo: −273 ºC.

• Fahrenheit: Era un físico alemán que inventó el termómetro de alcohol en 1709 y el termómetro de mercurio en 1714. La escala de temperatura Fahrenheit fue desarrollada en 1724.

Ejemplo de ejercicios.

10. Calor.

 ¿Qué es el calor?

Se define como la energía en tránsito cedida o absorbida entre dos cuerpos, cuyas masas se encuentran a temperaturas que varían en un número determinado de grados, es decir, dichos cuerpos se encuentran a diferentes temperaturas.

No podemos determinar la cantidad de calor que poseen los cuerpos por simple contacto con ellos, necesitamos de algo más determinante. Así como la termometría nos muestra las escalas para la medición de la temperatura, la Calorimetría nos muestra las unidades para cuantificar el calor.

Calorimetría

Es la rama de la Física que estudia la medición de las cantidades de calor, o sea las cantidades de energía que intervienen en los procesos térmicos.

Las unidades en que se puede expresar la Capacidad Calorífica pueden ser: Cal/°C, Kcal/°C, J/°C, J/ºk o BTU/°C.

Calor específico 

Es la cantidad de calor necesaria para elevar un grado de la temperatura de una unidad de masa y aclaramos que cada sustancia tiene su propio valor de calor específico. 

La fórmula que nos permite determinar la cantidad de calor (Q) cedida o absoluta por un cuerpo de masa y calor específico, cuando su temperatura inicial varía hasta la temperatura final se puede calcular mediante la fórmula:

Q= c*m (Tf - Ti)

En donde:

c= Calor específico de una sustancia.

Q= Calor

m= masa de dicha sustancia

Tf= Temperatura inicial

Ti= Temperatura final

  

 Ejemplos de ejercicios.

11. Leyes de los gases.

Un gas se caracteriza porque sus moléculas están muy separadas unas de otras, razón por la cual carecen de forma definida y ocupan todo el volumen del recipiente que los contiene. Son fluidos como los líquidos, pero se diferencian de éstos por ser sumamente compresibles debido a la mínima fuerza de cohesión entre sus moléculas.

Los gases están constituidos por moléculas independientes como si fueran esferas elásticas en constante movimiento, chocando entre sí y contra las paredes del recipiente que lo contiene. 

Todos los gases pueden pasar al estado líquido siempre y cuando se les comprima a una temperatura inferior a su temperatura crítica. La temperatura crítica de un gas es aquella temperatura por encima de la cual no puede ser licuado independientemente de que la presión aplicada sea muy grande.

Sus consideraciones principales son:

1. Los gases están constituidos por moléculas de igual tamaño y masa para un mismo gas, pero serán diferentes si se trata de gases distintos.

2. Las moléculas de un gas contenido en un recipiente se encuentran en constante movimiento, razón por la cual chocan entre sí o contra las paredes del recipiente que las contiene.

3. Las fuerzas de atracción intermoleculares son despreciables, pues la distancia entre molécula y molécula es grande comparada con sus diámetros moleculares.

4. El volumen que ocupan las moléculas de un gas es despreciable en comparación con el volumen total del gas.

                                                                     Ejemplos de ejercicios.