Y Sin Embargo Se Mueven... Teoría Cinética De La Materia

I. ¿Qué vamos a estudiar?
Convivimos con la materia misma en sus tres fases: gas, líquido y sólido. Nos es muy familiar el hecho de que es factible, bajo determinadas circunstancias, pasar de una fase a otra. Al hervir el agua la convertimos en vapor, sinónimo de gas. Si ahora la enfriamos en una hielera, la convertimos en hielo, es un sólido. Estos cambios, así como las propiedades mismas de lamateria en sus tres fases. ¿Es posible establecer una relación entre todas estas facetas tan diferentes y caprichosas que exhiben los gases, los líquidos y los sólidos, concebidos como conglomerados de miles de millones de átomos o moléculas? Sorprendentemente la respuesta es afirmativa, y la rama de la física que se encarga de decirnos cómo y porqué ocurren todos estos fenómenos que se conocencomo la teoría cinética de la materia.
II. La teoría cinética de los gases
Gay-Lussac concluyó que si dos o más gases reaccionan químicamente entre sí, los volúmenes de los gases reactivos y los gases productos están relacionados entre sí por números enteros simples. Estos resultados fueron desechados por Dalton como incorrectos al no concordar con su teoría atómica de la materia.
III. El modelocinético de un gas
Al pensar que la materia, y en especial los gases, están compuestos de pequeñas partículas que ahora identificamos como átomos o moléculas. Aceptamos también que estas moléculas están en movimiento constante. Todos hemos oído hablar de las fuerzas interatómicas o intermoleculares que actúan entre átomos o moléculas y que obviamente existen en cualquier sustancia real.
Podemosdecir que, como sobre cada partícula no actúa fuerza alguna entre dos colisiones sucesivas. Esta afirmación es una consecuencia directa de la segunda ley de Newton, pues si la fuerza neta actuando sobre un cuerpo arbitrario es cero, su aceleración es también nula, y por consiguiente su velocidad es constante.
IV. Las propiedades de un gas en equilibrio
La materia, como hemos insistido variasveces, la encontramos en una de sus tres fases: gaseosa, líquida o sólida; aunque en algunos casos coexisten dos de estas fases entre sí y, en condiciones muy drásticas, el llamado punto triple, las tres.
Cuando examinamos las fases individualmente se presentan, en general, dos situaciones. En una estudiamos al sistema en la fase elegida en condiciones tales que sus propiedades no sean funcionesdel tiempo.
V. La distribución de velocidades en un gas
Una de las características más sobresalientes de nuestro modelo cinético es la concerniente a la forma en que hemos concebido con qué velocidad, en magnitud y dirección, se mueven las moléculas que forman el gas. Así como a priori no hay números privilegiados en los billetes de lotería, de la misma manera no hay direcciones privilegiadaspara las velocidades; además, la magnitud de la velocidad puede variar desde cero hasta una velocidad máxima.
VI. Teoría cinética de la materia
Fuerzas intermoleculares
El modelo cinético del gas ideal, la única interacción que permitimos entre las esferas por las que consideramos está formado el gas es causada por choques elásticos. Esto es, las moléculas no ejercen ninguna fuerza entre sí, nicon otras del sistema, excepto en el momento de la colisión. Como las esferas son, por hipótesis, impenetrables, esta característica puede representarse por una fuerza que es infinita en el instante de dicha colisión, e igual a cero para cualquier otra distancia entre ellas.
Gases reales
Imaginemos ahora un recipiente repleto de átomos o moléculas entre las cuales existe una interacción. ¿Cómoafecta esta modificación en la fuerza interatómica la dependencia de la energía interna con la temperatura? En 1872, el gran físico holandés J.D. Vander Waals hizo ver que, debido a las fuerzas atractivas entre las partículas, la presión efectiva sobre una superficie dada tendría que ser modificada. Una molécula que se acerca a una pared va a “pegarse menos fuerte” al verse sometida a la atracción...