Propiedades extensivas de los materiales: masa, volumen y temperatura

La química es la ciencia que se encarga de estudiar todo lo referente a la materia y a las diferentes formas en las que la misma se presenta en la naturaleza, es decir, de los materiales. A diario en nuestro entorno sin darnos cuenta solemos distinguir, diferenciar o agrupar a los materiales según lo que se conoce como sus propiedades características, por ejemplo, si tomamos tres recipientes, en el primero agregamos agua, en el segundo aceite y en el tercero jugo de tomate, podemos fácilmente concluir que estamos en presencia de tres líquidos, y a su vez reconocer e identificar que cada uno posee diferente viscosidad, color, olor, sabor, entre otras características.

Las propiedades de los materiales se suelen clasificar en función a si durante su determinación ocurre o no una alteración de la identidad de dicho material, se habla entonces de propiedades químicas, cuando el material sufre una transformación, y propiedades físicas, cuando el material sufre un cambio pero no se altera su identidad. Entre las propiedades más conocidas se tienen, la densidad, el punto de fusión, el punto de ebullición, la solubilidad, el calor específico, el olor, la dureza, entre otros.

En química y en física, las propiedades pueden también clasificarse en función a la cantidad de material estudiado y a su naturaleza. Se habla de propiedades intensivas o propiedades características, aquellas que dependen de la naturaleza del material, entre ellas, la densidad, el punto de fusión, el punto de ebullición, la solubilidad y el calor específico. Se habla de propiedades extensivas o no características, aquellas que dependen de la cantidad de material estudiado, entre ellas, la masa, el volumen y la temperatura. A continuación estudiaremos las características extensivas de los materiales, conociendo sus unidades y conversiones entre ellas, lo cuál nos será útil para resolver problemas de química y de física.

MASA

La masa es aquella propiedad extensiva de la materia que indica la cantidad de materia que posee un cuerpo. Se puede medir con una balanza (Fig. 1), y es una propiedad invariable, es decir, que no depende da la altitud lo latitud. La masa puede estudiarse al comparar dos pelotas de un mismo tamaño pero hechas de diferentes materiales, una de goma y otra de hierro, que aunque sean de un mismo tamaño, difieren en su masa, teniéndose que la pelota de hierro posee mayor cantidad de materia que la pelota de goma.

Figura 1.

Según el Sistema Internacional de Medidas (S.I.), la unidad base para la masa es el kilogramo (kg), el cual equivale a 1000 gramos. En la tabla 1, se muestran los diferentes múltiplos y submúltiplos de las unidades utilizadas, los cuales se forman al anteponer un prefijo al nombre de la unidad o a su símbolo, por ejemplo, el prefijo kilo luego de la unidad gramo (kilogramo), o el mismo prefijo pero para la unidad metro (kilómetro).

Tabla 1. Múltiplos y submúltiplos de las unidades.

Por otra parte, no debemos confundir a la masa con el peso, el cual es una fuerza con la que la Tierra atrae a los cuerpos (fuerza de gravedad), por lo que varía con la latitud y se cuantifica con un dinamómetro (Fig. 2). La unidad para cuantificar el peso es el Newton (N). Por ejemplo, si se desea conocer el peso de una persona cuya masa es 60 kg, se debe multiplicar su masa por la constante gravitacional, que es 9,8 en la Tierra (m/s), a través de la fórmula:

P = m.g

,donde P, es el peso que deseamos calcular, m, la masa en kilogramos (kg), y g, la constante gravitacional en nuestro planeta en metros por segundo (m/s), nos queda:

Figura 2. Dinamómetro digital.
Tomado de: http://www.femto.es/dinamometro-digital--rango-0100-n--resolucion-01-n--medicion-en-traccion-y-compresion--precision-01-n-p-1-50-849/

CONVERSIÓN DE UNIDADES DE MASA

Muchos problemas de química, física, matemáticas, biología, requieren de la transformación de una cantidad dada en una unidad a otra, por ejemplo, de metros a kilómetros, de gramos a microgramos, de centímetros a milímetros, entre otros; también nos pueden pedir la transformación de varias unidades, como de metros por segundo (m/s) a kilómetros por hora (km/h), o de miligramos por centímetros cúbicos (mg/cm3) a gramos por mililitro.

Las conversiones se realizarán al multiplicar nuestro dato por llamados factores de conversión. Los factores de conversión se forman por la división de la unidad a la que se desee transformar entre la unidad dada (factores de la tabla 1). Por ejemplo, si se desea conocer cuántos gramos (g) hay en 100 decagramos (dag) se procede de la siguiente forma:

Nuestro dato: 100 dag x el factor de conversión: :100. 10¹ g: 1000g: 10³ g

También por regla de tres se pueden ejecutar la conversión, quedando: en 1 da hay 10 g, en 100 da, ¿cuántos g hay?

Veamos dos ejemplos más de conversiones de unidades de masa:

a.- ¿Cuántos kg hay en 25 g?

Nuestro dato: 25g x el factor de conversión: :25. 10-3 kg: 0,025 kg.

Por regla de tres: en 1 g hay 10-3 kg, en 25 g, ¿cuántos kg hay?

b.- ¿Cuántos µg hay en 5 kg?

Nuestro dato: 5 kg x el factor de conversión: : 5. 109 µg

Por regla de tres: en 1 kg hay 109 µg, en 5 kg, ¿cuántos µg hay?

VOLUMEN

El volumen es una propiedad extensiva que indica el espacio que ocupa la materia, por lo que junto con el concepto de masa contribuyen a la definición de la materia, es decir, a todo aquello que tiene una masa y ocupa un lugar en el espacio.

En función al estado en que se encuentre el material, sea sólido, líquido o gaseoso, los científicos podrán entonces definir la metodología y materiales que deben emplear para determinar el volumen de un material:

• Líquidos: para determinar el volumen de líquidos se emplean materiales de vidrio graduados, es decir con una escala uniforme. En función a la cantidad de líquido que se desea medir, se emplean materiales de mayor o menor precisión. Algunos de estos materiales los podemos encontrar en el laboratorio de química

  
  Figura 3. Cilindros graduados, bureta en soporte universal y pipeta dentro de kitasato (izquierda a derecha).

• Gases: los gases son un caso en particular, pues debido a tendencia a ocupar todo el espacio donde se encuentran, su volumen será igual al recipiente o espacio donde se hallen.

• Sólidos: para la determinación del volumen depende de si el sólido es regular o irregular. Si el sólido es regular, se emplean una serie de fórmulas ya establecidas, muy conocidas; para el caso de sólidos irregulares, se determina por desplazamiento de líquido.

  Estudiaremos primero las unidades de volumen para luego conocer las fórmulas de volumen de sólidos regulares y el procedimiento a seguir en la determinación de volumen de sólidos irregulares.

Unidades de volumen

Según el Sistema Internacional de Medidas (S.I), la unidad de volumen es el metro cúbico (m3) y la unidad de capacidad es el litro (L). El metro cúbico hace referencia al volumen de un cubo que tiene un metro de arista, mientras que el litro se refiere al volumen que ocupa 1 kg de agua, a la temperatura de 4 °C. Observemos en las tablas a continuación, las equivalencias, múltiplos y submúltiplos para las unidades de volumen y medidas de capacidad.

Tabla 2. Equivalencias entre unidades de volumen.

Tabla 3. Múltiplos y submúltiplos de medidas de capacidad.

Cuando necesitemos realizar el cálculo del volumen de sólidos regulares, se proceden a utilizar las fórmulas descritas en la figura 5.

Figura 5. Determinación del volumen de un sólido irregular.
Tomado de:http://cienciaytecnocsvf.blogspot.com/2012/11/volumenes-de-solidos-regulares-e.html

Para el caso de la determinación del volumen de sólidos irregulares, se realiza el procedimiento que descubrió Arquímedes, el cual consiste en, tal y como lo muestra la figura 6, un recipiente graduado (cilindro graduado), se vierte un líquido que no reaccione con el sólido que deseamos medir, es decir, que no disuelve en él; en el caso de la imagen, se vierte agua en el cilindro, se anota su volumen pues éste será nuestro volumen inicial, que es igual a 22 ml, luego se introduce la roca, sólido que no reacciona con el agua, y se anota el nuevo volumen que adquiere el agua dentro del cilindro graduado, volumen final: 26 ml, posteriormente se aplica la fórmula:

Volumen del sólido: volumen final – volumen inical:
Volumen del sólido: 26 ml – 22 ml: 4 ml : 4 g.

Figura 6. Determinación del volumen de un sólido irregular.
Tomado de: http://2.bp.blogspot.com/_gxe2he_akie/tpiul5zqyzi/aaaaaaaaao4/gk3bfogk9gu/s1600/solidos%2birregulares.png

CONVERSIÓN DE UNIDADES VOLUMEN

Tal como el caso de los problemas en donde tenemos que realizar conversiones de unidades de masa, también nos pueden pedir realizar conversiones de volumen de una unidad a otra. Se procede igual que en el caso de las conversiones de masa, formándose los factores de conversión por el cociente entre la unidad dada (numerador) y la unidad a la que se desee transformar (denominador). Estudiemos los siguientes ejemplos:

a.- ¿Cuántos m³ hay en 10 Km³?

Nuestro dato: 10 Km³ x el factor de conversión: : 10.10⁹m³

La unidad dada es Km³ y la que se desea es m³, como 1 Km³: 109 m³ se forma el factor colocando de numerador a m³ y denominador a Km³; de ésta manera se logran simplificar las unidades. También por regla de tres se pueden ejecutar la conversión, al igual que en los problemas de masa, quedando: en 1 Km³ hay 10⁹ m³, en 10 km³, ¿cuántos m³ hay?

Veamos dos ejemplos más de conversiones de unidades de volumen:

a.- ¿Cuántos m³ hay en 100 cm³?

Nuestro dato: 100 cm³ x el factor de conversión: : 100.10^-6m³

Por regla de tres: en 1 cm³ hay 10^-6 m³, en 100 cm³, ¿cuántos m³ hay?

b.- ¿Cuántos cm³ hay en 10 l?

Nuestro dato: 10 l x el factor de conversión : 10. 103 l

Por regla de tres: en 1 l hay 1000 cm³, en 10 l, ¿cuántos cm³ hay?

TEMPERATURA

La temperatura es una propiedad que se determina mediante la lectura de un termómetro, cuando éste se pone en contacto con el material que deseamos estudiar. A diario, en nuestro lenguaje, al referirnos a la temperatura decimos que un material está más caliente o más frío, sin embargo, debemos aclarar que el frío no existe y es simplemente la ausencia de calor, por ello al bajar o descender la temperatura de un material indica que el mismo perdió calor.

La temperatura se representa en diferentes escalas, la escala centígrada o Celsius (°C), la escala Fahrenheit (°F) y la escala Kelvin (K).

En la escala Celsius, se toma como puntos de referencia el punto de congelación del agua equivale a 0 °C, y su punto de ebullición a 100 °C. La escala se utiliza mundialmente, en particular para indicar la temperatura en ensayos químicos de trabajos científicos.

En la escala Fahrenheit, la cual se utiliza en los países anglosajones, en ella se toma como puntos de referencia el punto de congelación del agua que se define como 32 °F y su punto de ebullición a 212 °F.

En la escala Kelvin, la escala mayormente empleada para estudios de termodinámica, donde el cero se define como el cero absoluto de temperatura, es decir, a -273,15 °C. La magnitud de su unidad, se define como igual a un grado Celsius.

CONVERSIÓN DE UNIDADES DE UNIDADES DE TEMPERATURA

Al igual que en el caso de los problemas de conversión de unidades de masa y de volumen, también muchos problemas de química requieren de la conversión de una escala de temperatura a otra, lo cual se logra al utilizar las siguientes fórmulas:

Para pasar de grados Centígrado a Kelvin, se usa la siguiente conversión:

K = °C + 273

Para pasar de Kelvin a grados Centígrado, se usa la siguiente conversión:

°C = K - 273

Para pasar de grados Centígrado a grados Fahrenheit, se usa la siguiente conversión:

°F = 9/5• °C + 32°

Para pasar de grados Fahrenheit a grados Centígrado, se usa la siguiente conversión:

°C = (°F - 32°) •5/9

Para pasar de grados Fahrenheit a Kelvin, se usa la siguiente conversión:

K = 5/9 (°F + 459.67)

Para pasar de Kelvin a grados Fahrenheit, se usa la siguiente conversión:

°F = 9/5 K - 459.67

Estudiemos a continuación los siguientes problemas de conversión de escalas de temperatura:

a.- Transformar 27°C, -15 °C, 37 °C, a Kelvin. Aplicando la fórmula:

K = 27°C + 273: 300K

K = -15°C + 273: 258K

K = 37°C + 273: 310K

b.- Transformar 450K, 100K, 1000K, a grados Centígrado. Aplicando la fórmula:

ºC = 450 - 273: 177°C

°C = 100 - 273: -173°C

°C = 1000 - 273: 727 °C

c.- Transformar de 27°C a grados Fahrenheit. Aplicando la fórmula:

°F = (9/5• 27°C) + 32°: 48.6 + 32: 80, 6 °F

d.- Transformar de 100°F a grados Centígrado. Aplicando la fórmula:

°C = (100°F - 32°) •5/9: 68. 5/9: 37, 8 °C

e.- Transformar de 100°F a Kelvin. Aplicando la fórmula:

K = 5/9 (100°F + 459.67): 5/9. 559, 67: 310, 9 K

f.- Transformar de 500K a grados Fahrenheit. Aplicando la fórmula:

°F = 9/5. (500K - 459.67):9/5. 40, 033: 72, 6 °F

Autoevaluación

a.- ¿Cuántos gramos equivalen a 5.10^-10 pg?

b.- ¿Cuántos gramos equivalen a 5, 96.10²⁴ kg (masa de la Tierra)?

c.- ¿Cuántos m³ equivalen a 100 cm³?

d.- ¿Cuántos dm3 equivalen a 10 m³?

e.- Convertir a K y °F: 15 °C, 300 °C, 100 °C.

f.- Convertir a K y °C: 15 °F, 300 °F, 100 °F.

g.- Convertir a °C y °F: 1000K, 300 K, 275 K.

Referencias bibliográficas:

Suarez, F (2011). Química teoría. 9no grado de Educación básica. Editorial Romor. Caracas, Venezuela. Pág: 11 -17.