Física y Química 3.º ESO · La teoría cinético-molecular
La teoría cinético-molecular: temperatura, difusión y dilatación
Objetivo: Al terminar, sabrás relacionar la temperatura con la rapidez con que se mueven las partículas y usar la teoría cinético-molecular para explicar la difusión y la dilatación en situaciones de la vida diaria.
Explicación
Temperatura y movimiento de las partículas
Según la teoría cinético-molecular, las partículas de cualquier sustancia están siempre en movimiento. No todas van igual de rápido: unas van más deprisa y otras más despacio. La temperatura mide lo rápido que se mueven de media (los libros dicen que mide su energía cinética media).
- Más temperatura → las partículas se mueven, de media, más deprisa.
- Menos temperatura → se mueven más despacio.
Esto vale en los tres estados: en un gas las partículas van más rápido de un lado a otro; en un sólido vibran con más fuerza en su sitio.
La difusión
La difusión es la mezcla espontánea de las partículas de una sustancia con las de otra, sin necesidad de remover, gracias a su movimiento. Ejemplos: el olor de un perfume llena una habitación; una gota de colorante tiñe poco a poco toda el agua de un vaso.
- Es más rápida en los gases que en los líquidos (las partículas del gas se mueven libremente y hay mucho hueco), y en los sólidos es casi nula.
- Es más rápida a mayor temperatura, porque las partículas se mueven más deprisa.
La dilatación
Casi todos los cuerpos aumentan de volumen al calentarse (dilatación) y lo disminuyen al enfriarse (contracción).
Explicación: al calentar, las partículas se mueven (o vibran) más deprisa y se separan un poco más unas de otras, así que el conjunto ocupa más volumen. Las partículas no se hacen más grandes.
- Los gases se dilatan mucho; los líquidos, menos; los sólidos, muy poco (pero se nota en objetos largos: vías, puentes, cables).
Cómo explicar un fenómeno con la TCM
- Describe qué se observa.
- Explica qué les pasa a las partículas (se mueven más deprisa o más despacio, se separan, se juntan…).
- Une las dos cosas: «por eso…».
Puntos clave
- La temperatura mide lo rápido que se mueven, de media, las partículas (su energía cinética media).
- Difusión: las partículas se mezclan solas gracias a su movimiento; es más rápida en gases y a mayor temperatura.
- Dilatación: al calentar, las partículas se mueven más y se separan; el volumen aumenta.
- Al dilatarse un cuerpo, sus partículas no se hacen más grandes ni aumenta su número.
- Para explicar un fenómeno: observación → qué hacen las partículas → por eso…
Errores frecuentes
ErrorDecir que al calentar un metal sus partículas se hacen más grandes y por eso se dilata.
Cómo corregirloLas partículas no cambian de tamaño: vibran más y se separan un poco más. Aumenta el espacio entre ellas, no las partículas.
ErrorPensar que todas las partículas de una sustancia se mueven a la misma velocidad.
Cómo corregirloCada una va a una velocidad distinta y cambia al chocar. La temperatura indica la rapidez media.
ErrorExplicar la difusión diciendo que «el olor viaja» o que «el colorante se disuelve porque sí», sin hablar de partículas.
Cómo corregirloDi qué hacen las partículas: se mueven continuamente, chocan y se van repartiendo entre las de la otra sustancia.
Ejemplos resueltos
Ejemplo 1. Colorante en agua fría y caliente experimental (con gráfica)
Un grupo de 3.º echa una gota de colorante alimentario en vasos con la misma cantidad de agua a distintas temperaturas, sin remover, y mide cuánto tarda el agua en quedar de un color uniforme. Sus resultados están en la gráfica (puntos: 10 °C → 420 s; 20 °C → 300 s; 40 °C → 170 s; 60 °C → 100 s; 80 °C → 60 s). a) ¿Qué relación hay entre la temperatura y el tiempo? b) Explícala con la teoría cinético-molecular.
Resolución
a) Cuanto mayor es la temperatura, menos tarda el colorante en repartirse: a 80 °C tarda 60 s, siete veces menos que a 10 °C (420 s). La difusión es más rápida en caliente.
b) Observación → partículas → por eso:
- El colorante se reparte solo, sin remover: es difusión. Ocurre porque las partículas de agua y de colorante están en continuo movimiento y se van mezclando.
- A más temperatura, las partículas se mueven más deprisa.
- Por eso las partículas de colorante se reparten antes por todo el vaso en el agua caliente.
Ejemplo 2. Si van tan rápido, ¿por qué tarda el olor? numérico (datos aproximados)
A 20 °C, las moléculas del aire se mueven, de media, a unos 500 m/s (datos aproximados). En la chocolatería de la esquina están friendo churros a 10 m de la puerta. a) Si una molécula con olor a churros viajara en línea recta a 500 m/s, ¿cuánto tardaría en recorrer esos 10 m? b) En la realidad, el olor tarda bastante más en llegar. ¿Por qué?
Resolución
a) Con : ¡Dos centésimas de segundo!
b) La molécula no va en línea recta: hay muchísimas moléculas de aire a su alrededor y choca con ellas miles de millones de veces por segundo. Entre choque y choque recorre una distancia diminuta (menos de una diezmilésima de milímetro) y en cada choque cambia de dirección. Su camino es un zigzag desordenado, y avanzar 10 m en una dirección concreta le lleva mucho más tiempo. (En una habitación, además, las corrientes de aire ayudan a repartir el olor.)
Ejemplo 3. Las juntas de dilatación de un puente situación real
En los puentes de las autovías hay unas ranuras metálicas en forma de peine que cruzan la calzada: son las juntas de dilatación. Un tramo de puente de acero de 100 m puede alargarse unos 4 cm entre una noche de invierno a 0 °C y una tarde de verano a 35 °C (dato aproximado). a) ¿Por qué cambia la longitud del puente? b) ¿Qué pasaría si no hubiera juntas?
Resolución
a) Observación → partículas → por eso:
- En verano el acero está más caliente: sus partículas vibran más y se separan un poco más unas de otras.
- Por eso el tramo de puente se alarga (se dilata). En invierno ocurre lo contrario: se contrae.
- Las partículas no se hacen más grandes; solo aumenta la distancia entre ellas.
b) Sin juntas, el puente no tendría hueco para alargarse: empujaría contra los apoyos y el asfalto podría agrietarse o levantarse. Las juntas dejan un espacio que se abre en invierno y se cierra en verano.
Por la misma razón, los cables de la luz cuelgan más en verano y las aceras tienen separaciones entre las losas.
Ejercicios
De menos a más. Intenta cada uno antes de mirar la solución.
1. Fácil
Tenemos dos vasos con agua: uno a 15 °C y otro a 70 °C. a) ¿En cuál se mueven más deprisa las partículas de agua? b) ¿Se mueven todas a la misma velocidad?
Ver solución
a) En el de 70 °C. b) No: unas van más deprisa y otras más despacio; la temperatura indica la rapidez media.
a) A mayor temperatura, mayor rapidez media de las partículas: en el vaso a 70 °C. b) No. Las partículas tienen velocidades distintas y cambian al chocar; la temperatura mide su rapidez media (energía cinética media).
2. Fácil
Alguien se echa colonia en una esquina de la clase y al cabo de un rato la huelen en la otra esquina. a) ¿Cómo se llama este fenómeno? b) Explícalo con la teoría cinético-molecular. c) ¿Llegaría antes el olor en un día de calor o en uno frío?
Ver solución
a) Difusión. b) Las partículas de colonia se mueven continuamente y se reparten entre las del aire. c) En un día de calor.
a) Difusión. b) La colonia se evapora y sus partículas, en continuo movimiento, chocan con las del aire y se van repartiendo por toda la clase. c) Con más temperatura las partículas se mueven más deprisa, así que la difusión es más rápida: llega antes en un día de calor.
3. Media
En el laboratorio ajustamos un globo desinflado en la boca de un matraz vacío (con aire). Si metemos el matraz en un recipiente con agua caliente, el globo se hincha un poco; si después lo pasamos a agua con hielo, el globo se desinfla y llega a meterse hacia dentro del matraz. Explícalo con la teoría cinético-molecular.
Ver solución
En agua caliente, las partículas del aire del matraz se mueven más deprisa y el aire se dilata e hincha el globo; en agua con hielo se mueven más despacio, el aire se contrae y el globo se mete hacia dentro.
Observación: el globo se hincha en caliente y se desinfla (y se mete en el matraz) en frío. Partículas: en el agua caliente, las partículas del aire del matraz se mueven más deprisa, chocan más y con más fuerza contra las paredes y la goma, y se separan más: el aire ocupa más espacio y parte de él pasa al globo. En el agua con hielo se mueven más despacio, chocan menos y con menos fuerza y ocupan menos espacio. Por eso el aire se dilata en caliente y se contrae en frío. El número de partículas no cambia: es el mismo aire, que solo ocupa más o menos volumen.
4. Media
Un bote de cristal con tapa metálica no hay quien lo abra. Si pones la tapa un rato bajo el grifo de agua caliente, se abre con más facilidad. ¿Por qué? (Pista: el metal se dilata más que el vidrio.)
Ver solución
Al calentar, la tapa metálica se dilata más que el cristal y queda un poco más holgada.
El agua caliente calienta la tapa: sus partículas vibran más y se separan, así que la tapa se dilata y su diámetro aumenta un poco. El vidrio se dilata menos. Por eso la tapa queda algo más suelta y gira con más facilidad.
5. Media
Ordena de más rápida a más lenta la difusión en estos casos y justifica: a) una gota de tinta en agua fría; b) un ambientador en el aire de una habitación; c) un trozo de cobre en contacto con uno de oro, a temperatura ambiente; d) una gota de tinta en agua caliente.
Ver solución
b > d > a > c.
La difusión es más rápida en los gases (b), porque sus partículas se mueven libremente y hay mucho espacio entre ellas. En los líquidos es más lenta, y más rápida en caliente (d) que en frío (a). En los sólidos (c) las partículas solo vibran en su sitio y la difusión es casi nula: haría falta muchísimo tiempo para notarla.
6. Difícil
Un compañero escribe: «Cuando calentamos una barra de hierro, se dilata porque cada partícula de hierro se hace más grande y por eso ocupa más». Explica qué está mal y escribe la explicación correcta.
Ver solución
Las partículas no cambian de tamaño: al calentar vibran más y se separan un poco más, y por eso la barra ocupa más volumen.
El error es pensar que cambia el tamaño de las partículas. Según la TCM, las partículas son siempre iguales; al calentar el hierro, vibran con más fuerza y la distancia media entre ellas aumenta un poco. Por eso el conjunto ocupa más volumen y la barra se alarga.
Para practicar más
1. Fácil
Metes a la vez una bolsita de té en una taza de agua fría y otra en una taza de agua caliente, sin remover. ¿En cuál se colorea antes el agua? Explícalo con la teoría cinético-molecular.
Ver solución
En la caliente: las partículas se mueven más deprisa y la difusión es más rápida.
Las sustancias del té pasan al agua y se reparten por difusión, gracias al movimiento de las partículas. En el agua caliente las partículas se mueven más deprisa, así que se reparten antes: el agua caliente se colorea antes.
2. Fácil
En un termómetro de alcohol, el líquido sube por el tubo cuando aumenta la temperatura. a) ¿Qué fenómeno es? b) Explícalo con la teoría cinético-molecular.
Ver solución
a) Dilatación del líquido. b) Al calentarse, las partículas del alcohol se mueven más deprisa y se separan; el líquido ocupa más volumen y sube por el tubo.
a) Dilatación. b) Al aumentar la temperatura, las partículas del alcohol se mueven más deprisa y la distancia media entre ellas aumenta. El líquido ocupa más volumen y, como el tubo es muy estrecho, ese aumento se nota como una subida del nivel.
3. Media
Los cables de la luz entre dos postes cuelgan más en verano que en invierno. ¿Por qué? ¿Qué pasaría si se tendieran muy tensos en verano?
Ver solución
En verano el metal se dilata y el cable se alarga; si se tensan en verano, en invierno se contraerían y podrían romperse.
En verano, las partículas del metal del cable vibran más y se separan: el cable se alarga y cuelga más. En invierno se contrae. Si se tendieran muy tensos en verano, al contraerse en invierno tirarían de los postes y podrían romperse; por eso se dejan algo flojos.
4. Media
Dibuja las partículas de un mismo trozo de hierro a 20 °C y a 500 °C. ¿Qué cambia en tu dibujo y qué no debe cambiar?
Ver solución
A 500 °C, las partículas algo más separadas y con más marcas de vibración; no cambian ni el tamaño ni el número de partículas.
Los dos dibujos tienen las partículas ordenadas en filas (sigue siendo sólido, el hierro funde a 1538 °C). A 500 °C se dibujan un poco más separadas y con más marcas de vibración. El tamaño de cada partícula y el número de partículas deben ser los mismos.
5. Difícil
Dejas una botella de plástico vacía y bien cerrada dentro del coche al sol, en verano en Madrid. Por la noche la metes en el frigorífico y la botella se arruga. Explica los dos momentos con la teoría cinético-molecular.
Ver solución
Al sol, el aire de dentro se calienta, sus partículas se mueven más y empujan más (la botella está tensa); en el frigorífico se mueven más despacio, el aire se contrae y el aire de fuera, que empuja más, arruga la botella.
Al sol, las partículas del aire de la botella se mueven más deprisa, chocan más y con más fuerza contra las paredes: el aire tiende a dilatarse y la botella queda tensa. En el frigorífico, las partículas se mueven más despacio, chocan menos y con menos fuerza: el aire de dentro se contrae. Como la botella es blanda, el aire de fuera, que empuja más, la arruga. El número de partículas de dentro no cambia en ningún momento (la botella está cerrada).