SimuLab 1: Temperatura y estados de la materia

 



Objetivo:

Reconocer las diferencias entre sólido, líquido y gas desde el punto de vista microscópico.

Al realizar este simulab, usted será capaz de:

Describir la transición de fase de líquido a sólido y de líquido a gaseoso en términos moleculares.

Contrastar el movimiento de partículas en la fase sólida, líquida y gaseosa.

Describir el equilibrio liquido-gas.

Describir la relación entre los estados de la materia y la temperatura.



Para comenzar a investigar, usted verá una película que muestra los tres estados de la materia a nivel molecular y el efecto que produce variar la temperatura.
Podra ver como a medida que aumenta la temperatura, el sólido pasa al estado líquido y el líquido pasa al estado gaseoso.

Pero antes de comenzar con la película, puede describir, en dibujos y en palabras, ¿qué le sucedería a las moléculas de un gas, si disminuimos la temperatura?
Y si la temperatura aumenta, ¿las moléculas se mueven más rápido o más lento?
¿El gas se expande o se condensa ?

Corroborara o modificará sus hipótesis luego de ver la película.


Para poder ver la película, deberá acceder a SMDPlayer. (SMDPlayer esta listo para ser instalado ccuando usted accede a Inico y luego opta por software.)
Una vez instalado SMDPlayer deberá:

1) Abrir SMDPlayer, y dirijase a la carpeta StatesofMatter, y luego seleccione IntroStatesofMatter.

Al presionar Play, obsevara que la película comienza, pero pronto se detendrá. Cuando se detenga observe las leyendas en la parte inferior y siga las instrucciones. Al aparecer "The End", seleccione File - Quit, para salir de esta demostración.


A continuación usted realizará un experimento en el cual visualizará 200 partículas en el nivel molecular. Fig. 1.1. Las partículas se encuentranen el estado sólido a la temperatura T = 0,1.

Este trabajo le permitirá:

Describir la transición de fase de líquido a sólido y de líquido a gaseoso en términos moleculares.

Contrastar el movimiento de partículas en la fase sólida, líquida y gaseosa.

Describir el equilibrio liquido-gas.

Describir la relación entre los estados de la materia y la temperatura.


Ahora es necesario que trabaje con SMD, (si ya instaló el icono en el escritorio ejecutelo desde allí).
Siga las instrucciones siguientes para realizar el experimento con el cual trabajará

2. Abrir SMD, y seleccionar de la carpeta States of Matter el experimento Solid. Presionar Start. Para apresurar la simulación podrá cambiar el valor de las iteraciones, seleccionando Iterations Between Displays, y marcando con el mouse en cualesquiera de los valores propuestos. Recomendamos 100.

El programa utiliza unidades de computadora para todos los parámetros. Para ver la temperatura y el resto de los parámetros en unidades reales seleccione primero Show Averages y a continuación Show Real Units

3. Pause la simulación.
Observara a continuación la trayectoria que recorren las partículas. Trayectoria es el camino que recorre la partícula en el tiempo.
Para observar las trayectorias que describen las partículas, seleccione de Display Particles by la opciónTrajectories.

Presione Start y espere aproximadamente unas 10 unidades de tiempo, y luego detenga la simulación presionando Pause.
Para poder ver como transcurren las unidades de tiempo, le sugerimos en principio que haga click sobre Show Average, opción que despliega una ventana y le permite tomar nota del tiempo transcurrido. Otra opción para medir el tiemo es observar el eje horizontal del gráfico.

Ahora usted aprenderá a obtener una foto de la pantalla, la que luego utilizará en otro momento del trabajo que esta realizando.

Para obtener una imagen congelada de la pantalla, que muestre las trayectorias seguidas por las paretículas, seleccione Take Snapshot y luego elija Screen, ( tomar una foto de la pantalla).
Cuando aparezca la ventana de diálogo con la leyenda Title of the Picture, escriba: Sólido (T=0.1) y luego presione Ok.


P1.9: ¿Cuál frase considera que describe más acertadamente las trayectorias de las partículas?

Las partículas parecen estar . . . ''

(a) en una posición fija.

(b) vibrando levemente alrededor de una posición fija

(c) moviéndose hacia adelante en líneas curvas

(d) moviéndose a lo largo de líneas rectas

4. Seleccione Display Particles by: Particle Type.

Vamos a ver que sucede al aumentar la temperatura en nuestro experimento.

Para aumentar la temperatura, posicione el mouse sobre el cursor móvil de la barra horizontal etiquetada como "Temperature", y desplácelo hasta el valor T = 0.4. Puede ajustar mejor el valor utilizando las flechas del teclado, (cursor). A continuación presione Start. Espere por lo menos 20 unidades del tiempo para ver como las partículas comienzan a desagruparse.

Seguramente usted, notó que a medida que la temperatura aumenta, se destruye el patrón regular del sólido como se muestra en la Fig. 1.2, y las moléculas comienzan a moverse más libremente.

P1.10: ¿Puede predecir qué sucedería si se baja la temperatura de nuevo a T =0.1. Si el tiempo lo permite, compruebe su predicción?
Si se ha modificado la temperatura, en el paso anterior, fije nuevamente la temperatura a T = 0.4 y espere
nuevamente 20 unidades de tiempo, antes de proceder al paso 5.

5. Seleccione de la ventana Display Particles by : Trajectories. Presione Start y espere al menos 5 unidades de tiempo. Detenga la simulación presionando: Pause.

Si no fue posible responder en el tiempo indicado, o si las trayectorias estan muy encimada, presione Pause y seleccione Edit y luego Reset Trajectories, de este modo esta borrando las trayectorias trazadas.

Si es muy rápida su PC es conveniente que disminuya el número de iteraciones a 5 y luego presione Start.

Tome una foto instantánea de la pantalla, (como ya lo realizó en el punto 3), seleccionando Take a Snapshot y luego elija Screen. Cuando aparezca la ventana de diálogo con la legenda Title of the Picture, escriba: Líquido (T=0.4) y luego presione Ok.

Usted podrá ahora comparar las trayectorias de las partículas en el estado líquido con las trayectorias en el de estado sólido.


P1.11: Describa las diferencias que observe entre las trayectorias de ambos estados; el sólido "(T=0,1)", y el líquido "(T=0,4)" .

Observe que algunas partículas se mueven en trayectorias rectas, lo cual indica que han salido del estado líquido. Estas partículas se encuentran en estado gaseoso, y a veces regresan al estado líquido y otras no.

Usted está viendo dos estados de la materia en equilibrio.

P1.12: ¿Qué ejemplos de la vida real puede usted mencionar, en el cual un gas y un líquido coexisten en el mismo sistema?

P1.13:¿Qué frase describe mejor la trayectoria de las partículas en la fase líquida?

"Las partículas parecen . . ."

(a) fijas en una posición

(b) vibrando alrededor de un punto fijo

(c) moviéndose sobre líenas curvas

(d) moviéndose sobre líneas rectas


6. Pause la simulación. Seleccione de la ventana Display particles by: Particle Type. Desde la ventana Temperature, aumente la temperatura a T = 2, y luego presione Start. Espere por lo menos 20 unidades del tiempo y presione pausa.

Usted observará que a medida que la temperatura aumenta, las partículas salen del estado líquido y pasan al estado gaseoso como se muestra en la figura 1.3.

P1.14:

¿Qué frase describe mejor lo que esta sucediendo con la sustancia de nuestro experimento, cuando las partículas que la componen comienzan a llenar el contenedor?

"La sustancia se está. . ."

(a) fundiendo

(b) congelando

(c) evaporando


7 Seleccione Take a Snapshot, y elija la opción Screen para tomar una instantánea. Cuando aparezca la ventana de diálogo con la leyenda Title of the Picture escriba en el, Gas a T=2, y presione Ok.

Usted puede ahora comparar las trayectorias de las partículas en el estado gaseoso con las trayectorias de las partículas en el estado líquido.

P1.15: ¿Cuáles son las diferencias entre las trayectorias en el estado líquido y en el estado gaseoso? ¿Por qué considera que las trayectorias son diferentes?.

P1.16: Utilizando las instantáneas archivadas anteriormente, describa las diferencias entre los tres estados de la materia en fución del movimiento de las partículas.

P1.17: Describa utilizando gráficos, dibujos y palabras cómo los estados de la materia estan relacionados con la temperatura

8Cambie el número de iteraciones desde Iterations between Displays al valor 100. Seleccione File- Reset Experiment, para borrar el experimento anterior.

En este experimento, usted observará el comportamiento de una partícula elegida a diversas temperaturas, e investigará como son las trayectorias de una partícula, en cada uno de los estados de la materia.

9.Seleccione de la ventana Edit, la opción Select Particle, y luego Select Particle(s) y elija una partícula del centro del sólido con el mouse haciendo click sobre ella. Luego seleccione de la ventana Display Particles by: la opción: Selected Trajectories y presione Start. Aguarde 10 unidades de tiempo aproximadamente y, Pause la simulación. Eleve la temperatura a T=0.4 y presione Start. Observe los cambios en la trayectoria de la partícula seleccionada. Pause la simulación e incremente la temperatura a T=2. Presione Start, y observe la trayectoria de la partícula durante otras 20 unidades de tiempo. Presione Pause.


P1.18: Explique los cambios observados en las trayectorias en función de los aumentos de la temperatura.

Usted comparará ahora esta partícula del centro con una partícula del borde del sólido.

10. Seleccione de la ventana Take a Snapshot, la opción: Screen. Se abrira asi una ventana, con la leyenda Title of the Picture. Escriba en ella, Central.
11. Reinicie el experimento. Repita el paso 9 eligiendo ahora una partícula del borde del sólido
12. Seleccione de la venta Take a Snapshot, la opción: Screen.Coloque en la ventana: Title of the Picture, el nombre Borde.

P1.19: Compare sus instantáneas Centro y Borde. Observa alguna diferencia en las trayectorias para estos situaciones. ¿Cuales? ¿Puede explicarlo?

a guía curricular

a temperatura y estados de la materia