ESTRUCTURA DE LA MATERIA
La materia, por lo general, se presenta en los siguientes estados: sólido, líquido y gaseoso.
En el estado sólido las moléculas se encuentran muy cerca unas de otras y por lo tanto las fuerzas de cohesión entre ellas son sumamente intensas. Esto determina que los sólidos posean una forma definida y ocupen un volumen propio.
En el estado líquido las moléculas se encuentran dispuestas a mayor distancia que en los sólidos, por lo que las fuerzas de cohesión entre ellas son pequeñas. Esto determina que ocupen un volumen propio, pero que no tengan una forma definida, sino que adopten la del recipiente que los contiene.
En el estado gaseoso las distancias entre las moléculas son muy grandes, por lo que las fuerzas de cohesión entre ellas son prácticamente nulas. Esto determina que presenten una tendencia a ocupar el mayor volumen posible al poder expandirse con facilidad.
En los líquidos y gases, las fuerzas de cohesión entre las moléculas son muy débiles, por lo que éstas pueden resbalar unas sobre otras fácilmente y se dice comúnmente que fluyen. El nombre fluido se aplica tanto a los líquidos como a los gases.
Tanto sólidos como líquidos son poco compresibles, en cambio los gases al estar dispuestos por moléculas muy separadamente, son fácilmente compresibles. Al reducir las distancias intermoleculares disminuiría el volumen del gas.
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
Se denomina fluidos a aquellos cuerpos que pueden fluir y adoptan la forma del recipiente que los contiene. Los fluidos se dividen en líquidos y gases, dependiendo de sus fuerzas de cohesión interna. La hidrostática es la parte de la Física (Mecánica) que tiene por objeto el estudio del comportamiento y de las propiedades de los fluidos en equilibrio (la hidrodinámica estudia los fluidos en movimiento).
Mientras que los líquidos fluyen manteniendo constante su volumen, los gases tienen tendencia a ocupar todo el volumen disponible. Este distinto comportamiento es debido a que en el estado líquido las fuerzas de cohesión intermoleculares son mayores que en los sólidos y, por tanto, las partículas componentes abandonan las posiciones fijas que ocupan en estado sólido aunque mantienen una cierta cohesión que les hace mantener un volumen constante. En el caso de los gases, las fuerzas de cohesión intermoleculares son mucho menores y las partículas pueden moverse libremente en todo el volumen del recipiente que las contiene.
En los líquidos se producen fuerzas que interfieren el movimiento molecular a causa del rozamiento que se produce al deslizar las moléculas. Estas fuerzas originan la viscosidad y existen en todos los líquidos reales en mayor o menor medida. Los líquidos en que no existe viscosidad se denominan líquidos ideales o perfectos. En el caso de los gases, la viscosidad es muchísimo menor.
El choque de las moléculas gaseosas contra las paredes del recipiente que las contiene o contra otras moléculas gaseosas también origina fricciones. Los gases en que se suponen despreciables dichas fricciones reciben el nombre de gases ideales o perfectos.
DENSIDAD
La densidad de un cuerpo o substancia es el cociente entre su masa y el volumen que ocupa. Se simboliza mediante la letra griega . Es decir,
= m
V
donde m = masa y V = volumen.
La densidad de una substancia es una propiedad característica de ésta que le permite diferenciarse de otras. La densidad es una magnitud escalar.
Unidades: En el Sistema Internacional de unidades (SI) la densidad se mide en kg/m3. Frecuentemente la densidad suele expresarse en g/cm3, que es la unidad de densidad del sistema CGS, ya que en este sistema la densidad del agua pura a 4 °C es 1 g/cm3, que equivale a 1kg/dm3. En el Sistema Internacional de unidades (SI) la densidad del agua es de 1.000 kg/m3.
Densidad Relativa: Es la relación entre la densidad de una substancia cualesquiera y la de otra que se establece como patrón o referencia. De manera general la densidad de la substancia referencial es la del agua, cuyo valor es de:
H2O = 1 g/cm3 = 1000 kg/m3
La densidad relativa de una substancia es una magnitud adimensional y su valor es el mismo de la densidad.
En la siguiente tabla se muestran los valores de la densidad relativa de algunas substancias en g/cm3:
SÓLIDOS LÍQUIDOS GASES
Oro………………………………..19,30 Mercurio…………………….13,60 Cloro………………………………3,22×10-3
Plomo……………………………11,34 Yodo………………………………4,95 Ozono……………………………..2,14×10-3
Plata……………………………..10,50 Cloroformo……………………1,53 Bióxido de Carbono………2,00×10-3
Cobre……………………………..8,80 Glicerina………………………..1,26 Oxígeno…………………………..1,43×10-3
Acero……………………………..7,80 Sangre…………………………….1,05 Aire……………………………….1,29×10-3
Hierro fundido………………7,10 Agua de mar……………………1,03 Monóxido de Carbono……1,25×10-3
Diamante……………………….3,50 Leche………………………………1,02 Nitrógeno……………………….1,25×10-3
Aluminio……………………….2,60 Agua a 4°C………………………1,00 Neón……………………………….0,90×10-3
Vidrio común………………..2,50 Aceite vegetal…………………0,92 Vapor de agua (100°C)…..0,81×10-3
Hormigón, Piedra…………2,30 Aceite lubricte……………….0,90 Metano……………………………0,72×10-3
Hielo……………………… …….0,90 Alcohol……………………………0,80 Amoníaco……………………….0,70×10-3
Madera………………………….0,60 Petróleo…………. ………………0,80 Helio………………………………0,18×10-3
Corcho………………………….0,25 Gasolina…………………………..0,70 Hidrógeno………………………0,09×10-3
Ejemplo:
1. En una esfera de 10cm de radio y 5kg de masa, calcular:
a) El volumen de la esfera.
b) La densidad de la esfera.
a) V = 4 R3
3
V = 4 (10cm)3
3
V = 4188,79 cm3
b) = m
V
= 5000 g
4188,79 cm3
= 1,19 g/cm3
peso esPeCÍFICO
El peso específico de un cuerpo o substancia es el cociente entre su peso y el volumen que ocupa. Se representa por . Es decir,
= mg
V
= (m/V)g = . g
De esta ecuación, se concluye que el peso específico de un cuerpo o substancia es igual al producto de su densidad por la gravedad. El peso específico también es una magnitud escalar.
Unidades: En el Sistema Internacional de unidades (SI), el peso específico se mide en N/m3. En el Sistema Técnico o terrestre la unidad de peso específico es 1 kp/m3. Sin embargo, generalmente, el peso específico suele expresarse en p/cm3, ya que en estas unidades el peso específico del agua pura a 4 °C es de 1p/cm3. Se verifica que 1p/cm3 = 9.800 N/m3.
Ejemplo:
1. Un alambre de cobre de sección igual a 2mm2 y densidad 8,8g/cm3 tiene una masa de 12kg. Hallar:
a) El volumen del alambre
b) La longitud del alambre
a) = m
V
V= m = 12000g
8,8g/cm³
V= 1363,64 cm³
b) V= A.x , donde A = área y x = longitud
x = V = 1363,64cm³
A 0,02cm²
x = 68181,82 cm
x = 681,81 m
Aunque el peso específico y la densidad son magnitudes diferentes, existe una relación entre ambas. En efecto, a partir de la expresión
= mg
V
puede observarse que
m =
V
Por consiguiente, = .g, o sea, que el peso específico de un cuerpo es igual al producto de su densidad por la aceleración de la gravedad.
Con mucha frecuencia las densidades y los pesos específicos suelen expresarse referidos a los del agua, que se acostumbra a tomar como unidad. Estos valores reciben el nombre de relativos. La densidad relativa de un cuerpo respecto de la del agua es el cociente entre la densidad de dicho cuerpo y la densidad del agua. Así, cuando decimos que la densidad del hierro es de 7,8 queremos decir que su densidad es 7,8 veces la del agua. Por tanto, su densidad es de 7,8g/cm3. Análogamente, se denomina peso específico relativo de un cuerpo respecto del agua al cociente entre el peso específico de dicho cuerpo y el peso específico del agua. Así, si nos indican que el peso específico del mercurio es 13,6 debemos entender que al estar referido al del agua que es de 1p/cm3, el peso específico del mercurio será 13,6p/cm3. Tanto las densidades relativas como los pesos específicos relativos son números adimensionales ya que representan el cociente de dos magnitudes iguales.
TENSIÓN SUPERFICIAL
Tal como se ha indicado antes, entre las moléculas de un líquido existen fuerzas atractivas de cohesión. Tal como puede observarse en la figura 1, en el interior del líquido dichas fuerzas se compensan entre sí mientras que en la superficie de separación del líquido dichas fuerzas no se contrarrestan ya que las moléculas de la capa superficial experimentan una fuerza neta dirigida hacia el interior del líquido originando la formación de una membrana elástica que determina la aparición de una tensión superficial.
La tensión superficial se define como la fuerza ejercida en la superficie de un líquido por unidad de longitud y se representa por . Es decir,
= F
l
En el Sistema Internacional (SI), la tensión superficial se mide en N/m mientras que la unidad de tensión superficial del sistema CGS es 1 dyn/cm.
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