EXTENSIÓN DEL MODELO CINÉTICO-CORPUSCULAR A LÍQUIDOS Y SÓLIDOS

 

 

 

 

Nos planteamos ahora en qué medida es posible extender el modelo cinético-corpuscular de los gases a los sólidos y los líquidos.

 
 

De entrada hay que dejar constancia de límites de aplicabilidad del modelo a los propios gases. Dicho modelo considera que las eventuales interacciones entre las partículas del gas son asimilables a simples choques elásticos, lo cual puede ser aceptable únicamente en la medida en que dichas partículas mantengan su movimiento y sean diminutas en comparación con las distancia media que las separa. Estas condiciones dejan de cumplirse cuando el gas se comprime de forma apreciable  y cuando se enfría en exceso. Por ello a la ley de los gases, sustentada en el modelo, se le llama de gases ideales, entendiendo que los gases reales sólo la cumplen con un cierto grado de aproximación y que su fiabilidad decae cuando, por ejemplo, la presión, P, aumenta o la temperatura, T, disminuye.

 

Estos hechos muestran que el modelo cinético-corpuscular tiene que ser matizado o modificado para poderse aplicar a sólidos y a líquidos. Al mismo tiempo, en el otro platillo de la balanza hay que considerar que bastantes propiedades de los gases que sustentan al modelo, también las tienen, aunque menor grado, sólidos y líquidos. Así por ejemplo, los líquidos y los sólidos también se dilatan cuando se calientan, bastantes líquidos se pueden mezclar con facilidad, etc. La compresibilidad también puede ser vista, con este planteamiento, como una propiedad que no es drásticamente distinta entre los gases y el resto de la materia. Los sólidos y los líquidos son muy poco compresibles, pero tampoco lo son excesivamente los gases, como se comprueba cuando, después de haber apretado bastante el émbolo de una jeringa grande, llega un momento en que ya no resulta nada fácil seguir comprimiendo el aire encerrado.

 
 

Para extender el modelo cinético-corpuscular a líquidos y sólidos, nos fijamos en el hecho de que todas las sustancias se pueden encontrar en los tres estados, dependiendo de la presión y la temperatura. Ello indica que han de existir fuerzas atractivas entre las partículas, unas fuerzas que apenas tienen influencia a grandes distancias o entre partículas con altas velocidades (es decir, en los gases), pero que, en cambio, deben ser intensas a distancias cortas o entre partículas con  velocidad menor (en los líquidos y sólidos). Así se explica satisfactoriamente, por ejemplo, la diferencia de volumen cuando un gas pasa al estado líquido y al sólido. En estos dos estados las partículas están ligadas por las fuerzas de atracción entre ellas, aunque permitiendo movimientos de vibración (o de otro tipo), más o menos amplios según la temperatura.

 

Otro aspecto en que nos fijamos es el hecho de que al pasar de líquido a sólido la materia pierde la propiedad de "fluir", es decir, de difundirse. Esto hace pensar que el modo y la intensidad con que las las fuerzas atractivas retienen a las partículas es diferente en ambos estados.

 

En el caso del líquido las partículas dejan "huecos" en la estructura, de tal forma que, además de vibrar, grupos de partículas se pueden desplazar ocupando alternativamente esos huecos. Así se explica que los líquidos se adapten a la forma del recipiente y también que bastantes se mezclan con facilidad. En cambio, las partículas de los sólidos no pueden realizar este tipo de desplazamiento, siendo posible únicamente movimientos de vibración de cada partícula entre las que la rodean. Esta imagen de la estructura cinético-corpuscular de los sólidos es coherente con el hecho de que tienen una forma definida, que corresponde a la estructura ordenada de sus partículas: Tal como simula la animación adjunta, al aumentar la temperatura aumenta la velocidad de los movimientos de vibración de las partículas, pero no cambia esa estructura mientras no se produzca un cambio de estado.

 

 

Mediante el modelo también se establecen las condiciones requeridas para que se produzcan cambios de estado. Por ejemplo, para que un gas se convierta en líquido es necesario disminuir la velocidad de las partículas (enfriar el gas) y/o reducir las distancias entre ellas (comprimir el gas), con tal de conseguir que las fuerzas atractivas lleguen a ser de la intensidad suficiente. Análogamente sucede para el paso de líquidos a sólidos.

 

Todas estas consideraciones destacan la funcionalidad del modelo cinético-corpuscular de la materia. No obstante, conviene saber que, cuando se profundiza, se constata la complejidad que puede tener el modelo en muchas situaciones, debido a la propia complejidad que presenta la estructura interna de la materia. A modo de ejemplo de ello, podemos mencionar cómo algunos aspectos que presenta el comportamiento del agua en los tres estados son hoy objeto de estudio. Recientemente  se han publicado los resultados de una investigación sobre el proceso de congelación del agua, a la que se aplica el modelo cinético-corpuscular mediante un proceso de modelización avanzada.

 

Modelización por ordenador del proceso de congelación del agua

 

En dicha investigación se explica el hecho curioso de que, en circunstancias específicas, el agua no se congela por debajo de cero grados, sino que se puede mantener líquida hasta -48ºC. Para interpretar este hecho, el ordenador simuló el comportamiento de un número "grande" de moléculas (exactamente fueron 32768, una cantidad significativa, pero todavía inferior a las que componen una gota de agua), con objeto de determinar los cambios (en la capacidad térmica, la densidad y la compresión) del agua al "superenfriarse" y simular la velocidad de cristalización del hielo.

 

El agua se puede mantener líquida hasta los 48 grados bajo cero (30-11-2011)

 

 
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Departamento de Física y Química del IES "Leonardo Da Vinci"