Ley de la conservacin de la materia

En el ao 1745, Mijal Lomonosov enunci la ley de de conservacin de la materia de la siguiente manera: En una reaccin qumica ordinaria donde la masa permanece invariable, es decir, la masa presente en los reactivos es igual a la masa presente en los productos. En el mismo ao, y de manera independiente, el qumico Antoine Lavoisier propone que la materia no se crea ni se destruye, slo se transforma. Es por esto que muchas veces la ley de conservacin de la materia es conocida como ley de Lavoisier-Lomonosov. Fue elaborada independientemente por Mijal Lomonsov en1745y por Antoine Lavoisier en1785. Se puede enunciar como En una reaccinqumicaordinaria la masa permanece constante, es decir, la masa consumida de los reactivos es igual a la masa obtenida de los productos.

Una salvedad que hay que tener en cuenta es la existencia de las reacciones nucleares, en las que la masa s se modifica de forma sutil, en estos casos en la suma de masas hay que tener en cuenta la equivalencia entre masa yenerga.

Estos cientficos se referan a la materia msica. Ms adelante se observ que en algunas reacciones nucleares existe una pequea variacin de masa. Sin embargo, esta variacin se explica con la teora de la relatividad deEinstein, que propone una equivalencia entre masa yenerga. De esta manera, la variacin de masa en algunas reacciones nucleares estara complementada por una variacin deenerga, en el sentido contrario, de manera que si se observa una disminucin de la masa, es que sta se transform en energa, y si la masa aumenta, es que la energa se transform en masa.

Teniendo es cuenta la ley de conservacin de la materia, cuando escribimos una ecuacinqumica, debemos ajustarla de manera que cumpla con esta ley. El nmero de tomos en los reactivos debe ser igual al nmero de tomos en los productos, esto se hace mediante mtodos estequiomtricos.

PRINCIPIO DE CONSERVACIN DE LA CANTIDAD DE MOVIMIENTO

La Segunda ley de Newton se encarga de cuantificar el concepto de fuerza. Nos dice quela fuerza neta aplicada sobre un cuerpo es proporcional a la aceleracin que adquiere dicho cuerpo. La constante de proporcionalidad es lamasa del cuerpo, de manera que podemos expresar la relacin de la siguiente manera:

F = m a

La expresin de la Segunda ley de Newton que hemos dado es vlida para cuerpos cuya masa sea constante. Si la masa varia, como por ejemplo un cohete que va quemando combustible, no es vlida la relacinF= m a. Vamos a generalizar la Segunda ley de Newton para que incluya el caso de sistemas en los que pueda variar la masa.

Para ello primero vamos a definir una magnitud fsica nueva. Esta magnitud fsica es lacantidad de movimientoque se representa por la letrapy que se define como el producto de lamasa de un cuerpo por su velocidad, es decir:

p= m v

La cantidad de movimiento tambin se conoce comomomento lineal. Es una magnitud vectorial y, en elSistema Internacionalse mide enKgm/s.

La Fuerza que actua sobre un cuerpo es igual a la variacin temporal de la cantidad de movimiento de dicho cuerpo, es decir,

F= dp/dt

De esta forma incluimos tambin el caso de cuerpos cuya masa no sea constante. Para el caso de que la masa sea constante, recordando la definicin de cantidad de movimiento y que como se deriva un producto tenemos:

F= d(mv)/dt = mdv/dt + dm/dt v

Como la masa es constante

dm/dt = 0

y recordando la definicin de aceleracin, nos queda

F= ma

tal y como habiamos visto anteriormente.

Otra consecuencia de expresar laSegunda ley de Newtonusando la cantidad de movimiento es lo que se conoce comoPrincipio de conservacin de la cantidad de movimiento. Si la fuerza total que actua sobre un cuerpo es cero, la Segunda ley de Newton nos dice que:

0 = dp/dt

es decir, que la derivada de la cantidad de movimiento con respecto al tiempo es cero. Esto significa que la cantidad de movimiento debe ser constante en el tiempo (la derivada de una constante es cero). Esto es elPrincipio de conservacin de la cantidad de movimiento:si la fuerza total que actua sobre un cuerpo es nula, la cantidad de movimiento del cuerpo permanece constante en el tiempo.

ElPrincipio de Conservacindela energa

En 1847, el fsico,James Prescott Jouleenuncia elPrincipio de Conservacin de la energa.

ElPrincipio de Conservacindela energaexpresa que"la energa no se crea ni se destruye, se transforma".

Esto quiere decir, quela energa puede transformarse de una forma a otra, pero la cantidad total de energa siempre permanece constante.

Por ejemplo:

Estando en lamxima alturaenreposouna pelota solo poseeenerga potencial gravitatoria. Suenerga cinticaes igual a0 J.

Una ves que comienza a rodar su velocidad aumenta por lo que suenerga cintica aumentapero, pierde altura por lo que suenerga potencial gravitatoria disminuye.

Finalmente al llegar a la base de la pendiente su velocidad es mxima por lo que suenerga cintica es mxima pero, se encuentra a una altura igual a 0 m por lo que suenerga potencial gravitatoria es igual a 0 J.

FIGURA La energa potencial gravitatoria que posee la pelota, debido a la altura a la que se encuentra, empieza a transformarse en energa cintica al comenzar a moverse la pelota

Leyde laEntropa

LaLeyde laEntropa: Es la segunda Ley de laTermodinmica. La Entropa puede concebirse como la medida delequilibriode unsistema; como tambin puede entenderse como la medida de la desorganizacin existente en el mismo sistema. La Ley afirma que la Entropa --- el desorden de un sistema aislado ---- nunca puede decrecer. Por consecuencia, cuando un sistema aislado logra llegar a unestadode configuracin de la mxima Entropa, no puede efectuar ms cambios: Ha llegado a su estado de mayor equilibrio. Basado en estosprincipiosde lafsica, se puede concluir que laNaturalezaparece "preferir" el desorden o el caos.

La segunda ley de la termodinmica. En trminos ms o menos sencillos dira lo siguiente: "No existe unprocesocuyo nico resultado sea la absorcin de calor de una fuente y la conversin ntegra de este calor en trabajo". Este principio (Principio de Kelvin-Planck) naci del estudio del rendimiento demquinasy mejoramiento tecnolgico de las mismas. Si este principio no fuera cierto, se podra hacer funcionar una central trmica tomando el calor del medioambiente; aparentemente no habra ninguna contradiccin, pues elmedio ambientecontiene una cierta cantidad de energa interna, pero debemos sealar dos cosas: primero, la segunda ley de la termodinmica no es una consecuencia de la primera, sino una ley independiente; segundo, la segunda ley nos habla de lasrestriccionesque existen al utilizar la energa en diferentes procesos, en nuestro caso, en una central trmica. No existe una mquina que utilice energa interna de una sola fuente de calor.

El concepto de entropa fue introducido por primera vez por R. J. Clausius a mediados del siglo XIX. Clausius, ingeniero francs, tambin formul un principio para la Segunda ley:"No es posible proceso alguno cuyo nico resultado sea la transferencia de calor desde un cuerpo fro a otro ms caliente".

Leyes de los gases ideales

En primer lugar empezamos diciendo que un gas ideal ser aquel en el que las molculas que lo forman tienen volumen cero y los choques entre ellas son perfectamente elsticos. Los gases ideales no existen aunque podemos considerar que los gases de masa molecular no muy alta a presiones no muy bajas y a temperaturas no excesivamente bajas se comportan como gases ideales.

Ley de Boyle - Mariotte (gases ideales)

Relaciona el volumen y la presin de una cantidad de gas a temperatura constante. "El producto de ambas variables es constante para una cantidad de gas a temperatura constante". La presin y el volumen son inversamente proporcionales. Es decir si la presin aumenta el volumen disminuye y si la presin disminuye el volumen aumenta.

P1V1 = P2V2

Ley de Charles - Gay Lussac (gases ideales)

Es una de las leyes de los gases ideales. Relaciona el volumen y la temperatura de una cierta cantidad de gas ideal, mantenido a una presin constante, mediante una constante de proporcionalidad directa. En esta ley, Charles dice que a una presin constante, al aumentar la temperatura, el volumen del gas aumenta y al disminuir la temperatura el volumen del gas disminuye.

V1 / T1 = V2 / T2

(para P constante)

Por otra parte si el volumen es constante, el cociente entre la presin y la temperatura es constante:

P1 / T1 = P2 / T2

(para V constante)

Ecuacin general de los gases ideales.

Combinando todas las leyes anteriores se llega a la expresin:

P1 V1 / T1 = P2V2 / T2

Si la cantidad de materia que tenemos es 1 mol en condiciones normales (1atm y 0K) ocupar un volumen de 22,4 L. Esto significa que el producto:

P0 V0 / T0 = 1atm22,4L / 273 Kmol = 0,082 atm L K-1mol-1 = R

Por esta razn y para n moles siendo las condiciones de presin y temperatura cualesquiera podemos poner que:

PV = nRT

Fluidos no newtonianos

Los fluidos en los cuales el esfuerzo de corte no es directamente proporcional a la relacin de deformacin son no newtonianos. Estrictamente hablando la definicin de un fluido es vlida solo para materiales que tienen un esfuerzo de deformacin cero. Por lo comn, los fluidos no newtonianos se clasifican con respecto a su comportamiento en el tiempo, es decir, pueden ser dependientes del tiempo o independientes del mismo..

Los fluidos en los cuales la viscosidad aparente disminuye con el aumento de la relacin de deformacin(n < 1) se llamanseudoplsticos. Es decir con un incremento en la tasa de corte el liquido se adelgaza. Casi todos los fluidos no newtonianos entran en este grupo; los ejemplos incluyen soluciones polimricas, suspensiones coloidales y pulpa de papel en agua. Si la viscosidad aparente aumenta con el incremento de la relacin de deformacin (n > 1) el fluido se nombradilatante; aqu el fluido se engruesa con un aumento en la tasa de corte.

Comportamiento independiente del tiempo: el esfuerzo de corte slo depende de la velocidad de corte

.

Figura 1. Representacin de esfuerzo de corte vs. velocidad de corte para distintos fluidos

Dentro de los principales tipos de fluidos no newtonianos se incluyen los siguientes

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Comportamiento

Caractersticas

Ej

Plsticos

Plstico perfecto

La aplicacin de una deformacin no conlleva un esfuerzo de resistencia en sentido contrario

Metalesdctilesuna vez superado el lmite elstico

Plstico de Bingham

Relacin lineal, o no lineal en algunos casos, entre el esfuerzo cortante y el gradiente de deformacin una vez se ha superado un determinado valor del esfuerzo cortante

Barro, algunoscoloides

Pseudoplstico

Fluidos que se comportan como seudoplsticos a partir de un determinado valor del esfuerzo cortante

Dilatante

Fluidos que se comportan como dilatantes a partir de un determinado valor del esfuerzo cortante

Fluidos que siguen laley de potencias

Seudoplstico

La viscosidad aparente se reduce con el gradiente del esfuerzo cortante

Algunos coloides,arcilla,leche,gelatina,sangre

Dilatante

La viscosidad aparente se incrementa con el gradiente del esfuerzo cortante

Soluciones concentradas deazcarenagua, suspensiones dealmidn de mazo dearroz.

Fluidosviscoelsticos

Material de Maxwell

Combinacin lineal en serie de efectoselsticosyviscosos

Metales,materiales compuestos

Fluido Oldroyd-B

Combinacin lineal de comportamiento comofluido newtonianoy como material de Maxwell

Betn,masa panadera,nailon,plastilina

Material de Kelvin

Combinacin lineal en paralelo de efectoselsticosyviscosos

Plstico

Estos materiales siempre vuelven a un estado dereposopredefinid

Fluidos cuyaviscosidaddepende del tiempo

Reopctico

La viscosidad aparente se incrementa con la duracin delesfuerzoaplicado

Algunoslubricantes

Tixotrpico

La viscosidad aparente decrece con la duracin de esfuerzo aplicado

Algunas variedades demieles,ktchup, algunaspinturasantigoteo.