Parcial 1

 

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.