Calor y temperatura

Cuando calentamos algún objeto sabemos que su temperatura aumenta, no obstante, es usual que confundamos los términos temperatura y calor en la vida cotidiana, y aunque éstos tienen relación entre sí, sus significados son muy diferentes.

Calor Temperatura
¿Qué es? Es la energía total del movimiento molecular en un cuerpo. Es la medida de la energía del movimiento molecular en un cuerpo.
Comportamiento La energía se intercambia entre un sistema y sus alrededores debido a la diferencia de temperatura. La temperatura aumenta conforme aumenta el movimiento o los choques entre las moléculas.
Dependencia Depende de la velocidad, cantidad y tamaño de las partículas. No depende de la velocidad, cantidad y tamaño de las partículas.
Unidades
  • Calorías (cal)
  • Joule (J)
  • Ergio (erg)
  • Grado Celsius (°C)
  • Grado Fahrenheit (°F)
  • Kelvin (K)
Instrumentos de medición Calorímetro

Termómetro

Ejemplos
  • Al servir té caliente, el agua transmite su calor a la taza.
  • Al sujetar un trozo de chocolate en la palma de la mano, éste empieza a derretirse por la transferencia de calor corporal al chocolate.
  • La temperatura para que el agua hierva es de 100 °C.
  • La temperatura corporal promedio es de 36,5 °C.
    La temperatura del ambiente está entre los 20 a 25 °C.

 

Rayos alfa, beta y gamma

Las radiaciones son partículas subatómicas. La estabilidad de un núcleo atómico depende de la cantidad de protones y neutrones en su interior, estos núcleos, cuando tienen una mayor cantidad de protones que de neutrones se consideran inestables y pueden emitir uno o vario tipos de radiaciones, como lo son las alfa, las beta y las gamma.  

Rayos alfa (\alpha) Rayos beta (\beta) Rayos gamma (\gamma)
Otros nombres Partículas alfa (\alpha) Partículas beta (\beta) Partículas gamma (\gamma)
¿Qué son? Núcleos de átomos de helio-4. Electrones. Forma de radiación electromagnética.
¿Cómo se producen? Por aceleración artificial o expulsión a partir de un átomo mayor. Por medio de la desintegración nuclear ocurrida en el núcleo de los átomos. Por desexcitación de un nucleón a un menor nivel de energía o por desintegración de isótopos radioactivo.
Constituidos por: Dos protones y dos neutrones. Electrones. Fotones.
Unidad de carga +2 -1 0
Velocidad Aproximadamente 3 . 107 m/s Aproximadamente 2,7 . 108 m/s Aproximadamente 3 . 108 m/s
Acción de un campo eléctrico y magnético Son desviadas por los campos eléctricos y magnéticos.

 

Son desviadas por campos eléctricos y magnéticos en sentido opuesto a las partículas \alpha.

 

No son desviadas por campos eléctricos y magnéticos.

 

Poder de penetración Bajo. Recorren una distancia pequeña y son detenidas por una hoja de papel o por la piel del cuerpo humano. Media. Recorren hasta un metro de distancia en el aire y son detenidas por laminas delgadas de metal o madera. Alta. Recorren cientos de metros en el aire y son detenidas por paredes de cemento o concreto.
Ejemplo Cuando el núcleo del radio (Ra) se desintegra expulsa una partícula \alpha y forma el radón (Rn).

 

_{88}^{226}\textrm{Ra} \rightarrow _{86}^{222}\textrm{Rn} + _{2}^{4}\textrm{He}

Cuando el núcleo del polonio (Po) pierde un electrón y se convierte en astato (At).

 

_{84}^{218}\textrm{Po} \rightarrow _{85}^{218}\textrm{At} + _{-1}^{ 0}\textrm{e}

Cuando se desintegra el tecnecio (Te) emite rayos \gamma.

 

_{52}^{125}\textrm{Te} \rightarrow _{52}^{125}\textrm{Te} + \gamma

Onda longitudinal y onda transversal

Una onda es una propagación de una perturbación a través del espacio en un intervalo de tiempo. Estas ondas se pueden clasificar según diversos criterios, como el sentido, medio y dirección de la propagación. Según esta última, las ondas pueden ser clasificadas como longitudinales o transversales.

Onda longitudinal Onda transversal
Dirección de propagación Paralela a la vibración de las partículas del medio. Perpendicular a la vibración de las partículas del medio.
¿Cómo se produce?  Por compresión y dilatación de las partículas que vibran. Por la oscilación de las partículas que vibran.
Velocidad de propagación en sólido Mayor que las ondas transversales. Menor que las ondas longitudinales.
Representación gráfica
Ejemplos
  • Ondas producidas por un resorte cuando se hala uno de sus extremos.
  • Ondas sonoras.
  • Ondas sísmicas.
  • Ondas en la superficie de lo líquidos.
  • Ondas de radio microondas.
  • Ondas de luz.

 

 

Electrón, protón y neutrón

Toda la materia está formada por átomos y éstos, a su vez, por partículas subatómicas elementales como el protón, el neutrón y el electrón. Las dos primeras se encuentran en el núcleo del átomo y los electrones se ubican en zonas de probabilidad alrededor del mismo. A continuación se comparan algunas de sus características más importantes.

Electrón Protón Neutrón
Descubierto por Joseph John Thomson Ernest Rutherford James Chadwick
Año de descubrimiento 1897 1918 1932
Descubrimiento experimental Thomson realizó experimentos en tubos de rayos catódicos. Observó que cuando el gas contenido dentro del tubo variaba, las partículas del rayo se comportaban de igual forma. A partir de ello, dedujo que todos los átomos tienen una o más partículas cargadas negativamente y las llamó “electrones”. Rutherford usó partículas \alpha para bombardear delgadas láminas de oro y otros metales. Observó que las mayoría de las partículas atravesaban la lámina sin desviarse o con una pequeña desviación. Esto lo llevó a crear un nuevo modelo atómico que explicaba los vacíos entre las partículas atómicas y la concentración de carga positiva en un núcleo. Chadwic bombardeó una lámina muy delgada de berilio con partículas \alpha, lo que provocó la emisión de una radiación de muy alta energía, parecida a la de los rayos \gamma. Luego se demostró que esos rayos están constituidos por un tercer tipos de partícula, con masa y sin carga, a la que llamó “neutrón”.
Grupo Leptón Hadrón Hadrón
Símbolo e p+ n0
Carga negativa (-)

−1.602 176 565(35)×10−19 C

positiva (+)

1,602 176 487 × 10–19 C

neutra (0)

0

Masa 5,485 799 094 6(22)×10−4 uma 1.007276466812 uma 1,008 664 915 6(6) uma
Ubicación en el átomo

 

Modelos atómicos: Thomson, Rutherford y Bohr

Durante siglos, la humanidad ha investigado a los átomos: partículas fundamentales de la materia. Estos átomos son tan pequeños que no es posible verlos, por lo que a lo largo de los años los científicos han propuesto modelos y teorías acerca de cómo son. A continuación se comparan tres de los primeros modelos atómicos que anteceden al modelo atómico actual.

Modelo atómico de Thomson Modelo atómico de Rutherford Modelo atómico de Bohr
Científico responsable Joseph Thomson

(1856 – 1940)

Ernest Rutherford

(1871 – 1937)

Niels Bohr

(1885 – 1962 )

Año de propuesta del modelo 1904 1911 1913
Forma del átomo Esfera maciza de materia con carga positiva y partículas incrustadas con carga negativa. Esfera maciza con carga positiva rodeada de pequeñas partículas con carga negativa. Esfera maciza con carga positiva rodeada de pequeñas partículas con carga negativa.
Descubrimiento experimental Los electrones: partículas diminutas con carga eléctrica negativa ubicadas dentro del átomo. El núcleo: zona central del átomo, muy pequeña. Espectros atómicos: radiación emitida por los átomos excitados de los elementos en estado gaseoso.
Núcleo No posee. Sí posee. Está cargado positivamente. Sí posee. Está cargado positivamente.
Masa del átomo Concentrada en toda la esfera maciza de materia. Concentrada en el núcleo. Concentrada en el núcleo.
Ubicación de electrones Incrustados en la esfera positiva. Alrededor del núcleo, en el espacio vacío. Alrededor del núcleo, en órbitas circulares.
Movimiento de electrones No posee. Giran constantemente cerca del núcleo, en el vacío. Giran constantemente cerca del núcleo en niveles definidos de energía.
Cantidad de cargas Igual cantidad de cargas positivas y negativas. El átomo es neutro. Igual cantidad de cargas positivas y negativas. El átomo es neutro. Igual cantidad de cargas positivas y negativas. El átomo es neutro.
Representación del modelo
Otros nombres del modelo Modelo del pudín de pasas. Modelo planetario. Modelo de Bohr.

 

Teoría Cinético Molecular

Todas las partículas tienen energía que varía de acuerdo a la temperatura de la muestra, lo que determina si la sustancia es un sólido, un líquido o un gas. Las partículas sólidas tienen la menor cantidad de energía, mientras que las partículas de gas poseen la mayor cantidad.

¿En qué consiste esta teoría?

La teoría cinética de la materia afirma que ésta se compone de un gran número de pequeñas partículas o moléculas individuales que están en constante movimiento. Ayuda a explicar el flujo o transferencia de calor y la relación entre la presión, la temperatura y las propiedades del volumen.

¿Sabías qué...?
La teoría cinética de la materia también es ilustrada por el proceso de difusión, donde se da el movimiento de partículas desde una alta concentración a una baja concentración.

Es un modelo utilizado para explicar el comportamiento de la materia y se basa en una serie de postulados:

  • La materia está hecha de partículas en constantemente movimiento.
  • La energía en movimiento se llama energía cinética y la cantidad en una sustancia está relacionada con su temperatura.
La materia puede existir en las fases sólida, líquida y gaseosa.
  • Hay espacio entre las partículas. El tamaño de este espacio está relacionado con el estado de la sustancia.
  • Los cambios de fase ocurren cuando la temperatura de la sustancia cambia lo suficiente.
  • Hay fuerzas de atracción entre las partículas llamadas fuerzas intermoleculares que aumentan a medida que dichas partículas se acercan.

 

Si hay un aumento de temperatura, los átomos y moléculas ganarán más energía y se moverán aún más rápido.

Propiedades de los líquidos

Una de las propiedades más notables de los líquidos es que son fluidos, es decir, pueden fluir. Los líquidos tienen un volumen definido, pero no una forma definida. El movimiento de las partículas está restringido en gran medida por el volumen del líquido.

Hay menos espacio entre las partículas que en los gases, pero hay más que en los sólidos. Las partículas líquidas también tienen relativamente más energía que las partículas sólidas, es lo que permite que los líquidos fluyan.

Las fuerzas intermoleculares en un líquido dependen de la composición química del propio líquido.

La fuerza intermolecular se ve afectada por la cantidad de energía cinética en la sustancia; cuanta más energía cinética exista, más débil es la fuerza entre las moléculas. Los líquidos tienen más de esta energía que los sólidos, por lo que las fuerzas entre sus partículas tienden a ser más débiles.

Propiedades de los sólidos

Las sustancias sólidas tienen formas y volúmenes definidos. Las partículas sólidas tienen relativamente poca energía cinética y vibran en su lugar. Debido a esto, no pueden fluir como los líquidos. En los sólidos, el movimiento de partículas está completamente restringido dentro de un área pequeña, lo que ayuda al sólido a mantener su forma.

La energía cinética está determinada básicamente por la velocidad de cada partícula participante.

La mayoría de los sólidos están dispuestos en una estructura apretada, de manera ordenada y repetitiva de partículas llamada red cristalina. La forma del cristal muestra la disposición de éstas en el sólido.

Algunos sólidos no tienen forma cristalina y son llamados sólidos amorfos porque no tienen estructuras internas ordenadas. Ejemplos de sólidos amorfos son el caucho, el plástico, la cera y el vidrio.

Los sólidos se pueden moldear en cualquier forma.

Propiedades de los gases

La teoría cinética explica la temperatura, la presión y el volumen de un gas en términos del movimiento de moléculas.

Según esta teoría, los gases están formados por partículas diminutas que se encuentran en movimiento aleatorio y además experimentan colisiones entre sí y con las paredes del contenedor, pero de lo contrario no interactúan.

En un medio gaseoso el espacio entre las partículas es muy grande, esto da como resultado la ausencia de fuerzas atractivas o repulsivas entre las moléculas.

En la teoría cinética se hacen las siguientes suposiciones acerca de los gases ideales:

  • El gas contiene un gran número de moléculas idénticas.
  • Las colisiones entre moléculas son perfectamente elásticas, al igual que las moléculas y las paredes del contenedor.
  • El tiempo de colisión es insignificante en comparación con el tiempo transcurrido entre las colisiones.
  • Las moléculas no se atraen entre sí si no hay fuerzas intermoleculares.
  • Las moléculas están en constante movimiento al azar.
  • El volumen de las moléculas es despreciable en comparación con el volumen del gas o el recipiente.
  • Las leyes del movimiento de Newton pueden aplicarse a las moléculas
  • La energía cinética media de una colección de partículas de gas depende de la temperatura del gas y nada más.
Plasma

Los plasmas son gases ionizados que en su forma natural son poco comunes en la Tierra. Se pueden observar en cosas artificiales, como letreros de neón y bombillas fluorescentes. Pero en el resto del universo el plasma es la fase más común de la materia. La mayoría de las estrellas son de plasma, al igual que las luces del norte que se ven alrededor de las regiones polares.