Diseño experimental:

Problema de estudio:

Determinar experimentalmente la relación cuantitativa entre la masa de una sustancia y su volumen, a temperatura de la sustancia constante.

Objetivos:

Determinar experimentalmente la relación cuantitativa entre la masa de una sustancia liquida y su volumen

Describir los estados de agregación de la materia

Establecer la diferencia entre las propiedades extensivas e intensivas de la materia

Analizar las gráficas del comportamiento de la relación entre la masa y el volumen de las sustancias

Analizar las propiedades que modifican el comportamiento de la masa y el volumen de las sustancias

Analizar la consecuencia del comportamiento de la relación entre la masa de una sustancia y su volumen

MARCO TEORICO

Aunque toda la materia posee masa y volumen,   la misma masa de sustancias diferentes tienen ocupan distintos volúmenes, así notamos que el hierro o el hormigón son pesados, mientras que la misma cantidad de goma de borrar o plástico son ligeras. La propiedad que nos permite medir la ligereza o pesadez de una sustancia recibe el nombre de densidad. Cuanto mayor sea la densidad de un cuerpo, más pesado nos parecerá.

La densidad se define como el cociente entre la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa. Así, como en el S.I. la masa se mide en kilogramos (kg) y el volumen en metros cúbicos (m3) la densidad se medirá en kilogramos por metro cúbico (kg/m3). Esta unidad de medida,  sin embargo, es muy poco usada, ya que es demasiado pequeña. Para el agua, por ejemplo, como un kilogramo ocupa un volumen de un litro, es decir, de 0,001 m3, la densidad será de:

La mayoría de las sustancias tienen densidades similares a las del agua por lo que, de usar esta unidad, se estarían usando siempre números muy grandes. Para evitarlo, se suele emplear otra unidad de medida el gramo por centímetro cúbico (gr./c.c.).

La materia presenta formas distintas, las cuales poseen características que nos permiten distinguir unos objetos de otros. El color, el olor y la textura son propiedades de la materia que nos ayudan a diferenciarlos.

Los estados de la materia

La materia se puede encontrar en tres estados:

Sólido, como la madera y el cobre;

Líquido, como el agua y el aceite; y

Gaseoso, como el aire y el vapor de agua.

Una misma materia se puede encontrar en los tres estados. Por ejemplo, el agua, que normalmente es líquida, cuando se enfría se convierte en sólido y, si se le aplica calor, se transforma en gas.

Teoría cinético molecular

Esta teoría supone que la materia está formada por partículas que pueden moverse, tienen energía cinética e interactúan entre sí, ejerciendo fuerzas atracivas, y tienen energía potencial. Se puede resumir en estos postulados:

1- La materia está formada por pequeñas partículas: átomos, moléculas o iones.

2- Las particulas de una sustancia son todas ellas iguales entre sí y diferentes a las de otra sustancia.

3- En los gases, las partículas están separadas por distancias muy grandes en comparación con su tamaño; en los líquidos las distancias son más cortas y, en los sólidos, son tan ínfimas que solamente se producen movimientos vibratorios.

4- Los gases están constituidos por moléculas que se mueven libremente al azar, colisionando unas con otras mediante choques elásticos.

5- La presión de un gas es consecuencia del choque entre las moléculas y las paredes del recipiente. La presión se incrementa al aumentar el número de choques.

6- Las fuerzas interactivas entre las partículas son prácticamente nulas en los gases, pequeñas y variables en los líquidos y grandes e intensas en los sólidos.

7- La energía cinética media de las partículas es directamente proporcional a la temperatura absoluta. E.sub.c=3/2·k·T   en donde  k  es la constante de Boltzman.

Así, en el cero absoluto 0 K, la energía cinética es 0; por eso

Estados de agregación:

Líquido: Si se incrementa la temperatura a un cuerpo la energía cienetica de las moléculas que lo componen aumentara generando que la estructura cristalina que lo conforma se deshaga, alcanzando el estado líquido. Característica principal: la capacidad de fluir y adaptarse a la forma del recipiente que lo contiene. En este caso, aún existe cierta unión entre los átomos del cuerpo, aunque mucho menos intensa que en los sólidos. El estado líquido presenta las siguientes características:

* Cohesión menor* Movimiento energía cinética.* No poseen forma definida* Toma la forma de la superficie o el recipiente que lo contiene.* En el frío se comprime, excepto el agua.* Posee fluidez a través de pequeños orificios.* Puede presentar difusión.* No tiene forma fija pero si volumen. La variabilidad de forma y el presentar unas propiedades muy específicas son características de los líquidos.

Gas: Incrementando aún más la temperatura se alcanza el estado gaseoso. Las moléculas del gas se encuentran prácticamente libres, de modo que son capaces de distribuirse por todo el espacio en el cual son contenidos. El estado gaseoso presenta las siguientes características:

* Cohesión casi nula.* Sin forma definida.* Su volumen sólo existe en recipientes que lo contengan.* Pueden comprimirse fácilmente.* Ejercen presión sobre las paredes del recipiente contenedor.* Las moléculas que lo componen se mueven con libertad.* Ejercen movimiento ultra dinámico.

Sólido: A bajas temperaturas, los materiales se presentan como cuerpos de forma compacta y precisa; y sus átomos a menudo se entrelazan formando estructuras cristalinas definidas, lo que les confiere la capacidad de soportar fuerzas sin deformación aparente. Los sólidos son calificados generalmente como duros y resistentes, y en ellos las fuerzas de atracción son mayores que las de repulsión. La presencia de pequeños espacios intermoleculares caracteriza a los sólidos dando paso a la intervención de las fuerzas de enlace que ubican a las celdillas en una forma geométrica. Las sustancias en estado sólido presentan las siguientes características:

* Forma definida* Volumen constante* Cohesión (atracción)* Vibración* Rigidez* Incompresibilidad (no pueden comprimirse)* Resistencia a la fragmentación

* Fluidez muy baja o nula* Algunos de ellos se subliman * Volumen tenso

Plasma: El plasma es un gas ionizado, es decir, los átomos que lo componen se han separado de algunos de sus electrones o de todos ellos. De esta forma el plasma es un estado parecido al gas pero compuesto por electrones y cationes (iones con carga positiva), separados entre sí y libres, por eso es un excelente conductor. Cuanto más caliente está el gas, más rápido se mueven sus moléculas y átomos, (ley de los gases ideales) y a muy altas temperaturas las colisiones entre estos átomos, moviéndose muy rápido, son suficientemente violentas para liberar los electrones. A diferencia de los gases fríos (por ejemplo, el aire a temperatura ambiente), los plasmas conducen la electricidad y son fuertemente influidos por los campos magnéticos. La lámpara fluorescente, contiene plasma (su componente principal es vapor de mercurio) que calienta y agita la electricidad, mediante la línea de fuerza a la que está conectada la lámpara.

Cambios de estado

Propiedades intensivas: Son las cualidades de la materia independientes de la cantidad que se trate, es decir, no dependen de la masa, no son aditivas y por lo general, resultan de la composición de dos propiedades extensivas.

Ejemplos:

Densidad, que relaciona la masa con el volumen.

Punto de fusión

Punto de ebullición

Propiedades extensivas: Son las cualidades de la materia dependientes de la cantidad que se trate. Son aditivas y de uso más restringido para caracterizar a las clases de materia debido a que dependen de la masa y las que dependen de la cantidad de materia.Ejemplos:

MasaVolumenPeso

TEORIA CINETICO MOLECULAR: Esta teoría describe el comportamiento y las propiedades de la materia en base a cuatro postulados:

La materia está constituida por partículas que pueden ser átomos ó moléculas cuyo tamaño y forma característicos permanecen el estado sólido, líquido ó gas.

Estas partículas están en continuo movimiento aleatorio. En los sólidos y líquidos los movimientos están limitados por las fuerzas cohesivas, las cuales hay que vencer para fundir un sólido ó evaporar un líquido.

La energía depende de la temperatura. A mayor temperatura más movimiento y mayor energía cinética.

Las colisiones entre partículas son elásticas. En una colisión la energía cinética de una partícula se transfiere a otra sin pérdidas de la energía global.

Ley de Gay-Lussac (1778-1850): Estableció la ley de los volúmenes de combinación de las sustancias gaseosas. Establece la relación entre la temperatura y la presión de un gas cuando el volumen es constante.

La presión del gas es directamente proporcional a su temperatura:* Si aumentamos la temperatura, aumentará la presión.* Si aumentamos la presión, aumentará la temperatura.

Ley de Charles: explica las leyes de los gases ideales. Relaciona el volumen y la temperatura de una cierta cantidad de gas ideal, mantenido a una presión constante, mediante una constante de proporcionalidad directa. Esta ley dice que a una presión constante, al aumentar la temperatura, el volumen del gas aumenta y al disminuir la temperatura el volumen del gas disminuye. Esto se debe a que "temperatura" significa movimiento de las partículas. Así que, a mayor movimiento de las partículas (temperatura), mayor volumen del gas. Se expresa por la fórmula; en esta ley actúan la presión de un gas ideal así como la de un gas constante.

Ley de Boyle: Es una de las leyes de los gases ideales que relaciona el volumen y la presión de una cierta cantidad de gas mantenida a temperatura constante. La ley dice que el volumen es inversamente proporcional a la presión:

Donde es constante si la temperatura y la masa del gas permanecen constantes.Cuando aumenta la presión, el volumen disminuye, mientras que si la presión disminuye el volumen aumenta. El valor exacto de la constante k no es necesario conocerlo para poder hacer uso de la Ley; si consideramos las dos situaciones de la figura, manteniendo constante la cantidad de gas y la temperatura, deberá cumplirse la relación:

 

MASA sustancia

( g sus)

Y= mX + bY vs. X

MASA sustanciaVs

VOLUMEN sustancia

VOLUMEN sustancia

( mL sus)

Variables extrañas:Temp. Sustancia constante

Y= mX + bMasa sustancia = (m) volumen sus+ b

b ≠0

+ m

La MASA de la sustancia es una relación lineal con pendiente positiva con respecto al volumen de la sustancia

HIPOTESIS:

MASA sustancia ( g sus)

Y= -mX + bY vs. X

MASA sustanciaVs

VOLUMEN sustancia

VOLUMEN sustancia ( mL sus)

Variables extrañas: Temp. Sustancia constante

b ≠0

- m

Y=- mX + bMasa sustancia = -(m) volumen sus+ b

 

MASA sustancia ( g sus)

Y= mX + bY vs. X

MASA sustanciaVs

VOLUMEN sustancia

VOLUMEN sustancia ( mL sus)

Variables extrañas:Temp. Sustancia constante

Y = 0

b = 0 x = 0

+ m

La MASA de la sustancia es una relación lineal con pendiente negativa con respecto al volumen de la sustancia

La MASA de la sustancia es una relación lineal directamente proporcional con respecto al volumen de la sustancia

Y= mX + bb= 0 x= 0 y= 0Y= mxY= αxMasa sus = α volumen sus

METODOLOGIA

Materiales empleados:

Cantidad

Descripción Capacidad

Precisión Incertidumbre

1 Regla de 30cm 30 cm 1 mm Calibrada por el fabricante6 Ligas de látex del mismo

lote2 Clips 4 Bolsas pequeñas de

plástico4 Masas (sal)1 Soporte universal1 Nuez 1 Pinza de 3 dedos1 Balanza granataria 2610g. 0.1g. Calibrada por el fabricante1 Termómetro 1 Espátula

Procedimiento para medir la variable x, y luego la variable y:

1) Homogeneizar la muestra de la sustancia liquida (probeta graduada de 50 mL)

2) Medir la masa del recipiente vacío en la balanza granataria ( probeta de 25 mL)

3) Colocar en el recipiente cero mL de sustancia liquida4) Medir la masa del recipiente con cero mL de la sustancia liquida (46.4 g )5) Medir la longitud final del cuerpo elástico cuando la masa (0g) aun

cuelga de el6) Repetir los pasos 4,5, 6 y 7 con una masa de 20 g7) Quitar la masa y colocar el cuerpo elástico en la mesa y medir la longitud

final8) Anotar los resultados9) Repetir los pasos 4,5,6,8,9 ahora con masas de 40,60,80 y 100g.

Resultados:

Masag.

Long. Final con masacm

Long. Final sin masacm

Y1 y2 y3 y4 y5 y1 y2 y3 y4 y50 9 9 9 9 9 9 9 9 9 920406080100

TABLA 2. YVS. X Longitud de deformación VS masa

MASA LONGITUD DE DEFORMACION

MEDIA DESVIACION ESTANDARPOBLACION

COEFICIENTE DE VARIACION

cm. cm. cm. %X y1 y2 y3 y4 y5 y n-1 n-1

y x 1000 0 0 0 0 0 0 0 020406080100

TABLA 3. YVS. X longitud de deformación media vs masa

Masa Longitud de deformación media

Zonas

g. cmx y0

20406080

100

Bibliografía:

http://www.escolar.com/article-php-sid=27.

http://www.sabiask.com/sabiasque/ciencia/masapeso.html

http://reocities.com/CapeCanaveral/Galaxy/8679/Quimica_12/Capitulo_1.htm

Resnick, Robert. Física Vol. 1 4ª, compañía editorial continental, México, 2001.

http://www.proyectosalonhogar.com/Enciclopedia_Ilustrada/Ciencias/Ley_de_Hooke.htm

Hewitl, Paul G. Física Conceptual 5ª edición Editorial: Pearson Educación 1999, México

Sears, Francis W. y Zemansky, Mark W. Fisica general Quinta edición Editorial Aguilar Madrid, España 1975