Materia bajo presión
La misma sustancia puede ser sólida, líquida o gaseosa, y sus moléculas nunca dejan de moverse. Esta sección mide la materia: densidad y presión, la (P) energía necesaria para calentar o fundir sustancias, y el comportamiento del gas ideal que relaciona presión, volumen y temperatura.
Física Edexcel International GCSE 4PH1, Sección 5 (enunciados 5.1–5.22). Unidades incluyen el pascal (Pa), kelvin (K) y (P) J/kg °C.
Densidad y presión
La densidad se mide directamente: masa con una balanza, volumen por desplazamiento (sólido irregular) o dimensiones (forma regular). La presión en un fluido en reposo actúa igual en todas direcciones, y la diferencia de presión entre dos profundidades proviene del peso del fluido entre ellas.
Ejemplo resuelto. Un buceador a 10 m en agua ($\rho = 1000\ \mathrm{kg/m^3}$, $g = 10$ N/kg): diferencia de presión $= 10 \times 1000 \times 10 = 100\,000$ Pa sobre la presión atmosférica.
Cambio de estado (P)
El calentamiento aumenta la energía almacenada en un sistema: bien su temperatura sube, o en un punto de fusión o punto de ebullición el exceso de energía rompe enlaces mientras la temperatura permanece constante. Partículas: sólidos vibran alrededor de puntos fijos; líquidos se mueven al azar pero están en contacto; gases se mueven rápido, muy separados, en línea recta entre colisiones. La capacidad calorífica específica es la energía necesaria para elevar 1 kg en 1 °C:
Ejemplo resuelto. Calentando 2 kg de agua ($c = 4200\ \mathrm{J/(kg\ °C)}$) en 30 °C: $\Delta Q = 2 \times 4200 \times 30 = 252\,000$ J.
Moléculas de gas ideal
Las moléculas de gas se mueven aleatoriamente, ejerciendo fuerza —y por tanto presión— sobre las paredes en cada colisión. El cero absoluto (−273 °C) es la temperatura a la que la energía cinética molecular es mínima: K = °C + 273. Mayor temperatura → mayor velocidad promedio molecular, y la temperatura en Kelvin es proporcional a la energía cinética promedio de las moléculas.
Para una masa fija de gas: a temperatura constante, presión × volumen es constante (al comprimirlo, las moléculas chocan más frecuentemente con las paredes); a volumen constante, presión/T (K) es constante (las moléculas más calientes golpean con más fuerza):
Ejercicio resuelto. Un gas a 100 kPa y 300 K se calienta (volumen constante) hasta 450 K: $p_2 = 100 \times 450/300 = 150$ kPa. Comprimido de 2 dm³ a 0.5 dm³ a temperatura constante: $p_2 = 100 \times 2/0.5 = 400$ kPa.
Compruébalo tú mismo
- Un bloque de 240 g tiene un volumen de 40 cm³. Calcula su densidad en kg/m³.
- Escribe la ecuación de la presión y su unidad.
- Calcula la presión bajo el tacón de una bota de 500 N con un área de 0.01 m².
- (P) ¿Qué permanece constante en la temperatura de una sustancia mientras se funde?
- (P) Calcula la energía necesaria para calentar 0.5 kg de aluminio (c = 900 J/(kg °C)) en 40 °C.
- Convierta 27 °C a kelvin, y 373 K a °C.
- ¿Por qué ejerce un gas presión sobre su contenedor?
- ¿Qué sucede con la velocidad molecular promedio cuando aumenta la temperatura?
- Un gas a 120 kPa en 3 dm³ se comprime hasta 1 dm³ a temperatura constante. Encuentra la nueva presión.
- Enuncie dos condiciones que duplican la presión de un gas.
Respuestas: 1 $m = 0.24$ kg, $V = 4.0 \times 10^{-5}\ \mathrm{m^3}$; $\rho = 0.24/4.0\times10^{-5} = 6000\ \mathrm{kg/m^3}$; 2 $p = F/A$, en pascales (N/m²); 3 $p = 500/0.01 = 50\,000$ Pa; 4 (P) temperatura —la energía se usa para romper enlaces intermoleculares, no para aumentar la velocidad molecular; 5 (P) $\Delta Q = 0.5 \times 900 \times 40 = 18\,000$ J; 6 300 K; 100 °C; 7 sus moléculas colisionan con las paredes, y cada colisión ejerce una fuerza; la fuerza total por unidad de área es la presión; 8 aumenta; 9 $p_2 = 120 \times 3/1 = 360$ kPa; 10 duplicar la temperatura en Kelvin a volumen constante, o reducir a la mitad el volumen a temperatura constante.