jueves, 15 de diciembre de 2011

Teoría cinética molecular


La teoría cinética molecular describe las propiedades de la materia y su comportamiento. El modelo cinético molecular intenta describir exactamente cómo está formada la materia, e intentaremos explicarla aquí de la manera más fácil posible.
Según el modelo cinético molecular que se toma como válido hoy en día, todo material que vemos está formado por partículas muy pequeñas llamadas moléculas. Estas moléculas están en movimiento continuo y se encuentran unidas por la fuerza de cohesión que existe entre moléculas de una misma materia. Entre una y otra hay un espacio vacío ya que están en continuo movimiento.
Cuando las moléculas están muy juntas y se mueven en una posición fija, las fuerzas de cohesión son muy grandes. Es el estado sólido de la materia. En cambio cuando están algo más separadas y la fuerza de cohesión es menor, lo que les permite cambiar de posición libremente de forma independiente, estamos en presencia de un líquido. En el estado gaseoso, las moléculas están totalmente separadas unas de otras y se mueven libremente. Aquí no existe fuerza de cohesión.

Esta teoría también describe el comportamiento y las propiedades de los gases. Todos los gases están formados por moléculas que se encuentran en movimiento continuo. Es un movimiento rápido, rectilíneo y aleatorio. Las moléculas de los gases están muy separadas entre sí y no ejercen fuerzas sobre otras moléculas, a excepción de cuando se produce una colisión.

Las propiedades de los gases se describen en términos de presión, volumen, temperatura y numero de moléculas.







Teoría cinética de los gases

La teoría cinética de los gases explica las características y propiedades de la materia en general, y establece que el calor y el movimiento están relacionados, que las partículas de toda materia están en movimiento hasta cierto punto y que el calor es una señal de este movimiento.
La teoría cinética de los gases considera que los gases están compuestos por las moléculas, partículas discretas, individuales y separadas. El gas deja muchos espacios vacíos y esto explica la alta comprensibilidad, la baja densidad.


La teoría cinética de los gases se enuncia en los siguientes postulados, teniendo en cuenta un gas ideal o perfecto:
  • Las sustancias están constituidas por moléculas pequeñísimas ubicadas a gran distancia entre sí; su volumen se considera despreciable en comparación con los espacios vacíos que hay entre ellas.
  • Las moléculas de un gas son totalmente independientes unas de otras, de modo que no existe atracción intermolecular alguna.
  • Las moléculas de un gas se encuentran en movimiento continuo, en forma desordenada; chocan entre sí y contra las paredes del recipiente, de modo que dan lugar a la presión del gas.
  • Los choques de las moléculas son elásticos, no hay pérdida ni ganancia de energía cinética, aunque puede existir transferencia de energía entre las moléculas que chocan.
  • La energía cinética media de las moléculas es directamente proporcional a la temperatura absoluta del gas; se considera nula en el cero absoluto.







Ley de Boyle

Robert Boyle perfeccionó el estudio de los gases utilizando una bomba de aire construida por Robert Hooke, la cual se había mejorado considerablemente respecto a la de von Guericke. El resultado por el cual se conoce más a Boyle en la actualidad es la relación que observó entre la presión y el volumen de un gas encerrado a temperatura constante.

La ley de Boyle establece que la presión que ejerce un gas a temperatura constante es inversamente proporcional al volumen en el cual está encerrado. La ley de Boyle normalmente se escribe:
PV = constante

donde P es la presión del gas, V su volumen, y el valor de la constante depende de las condiciones iniciales.

De manera alternativa, es posible escribir la ley de Boyle como:

P1V1 = P2V2

donde 1 y 2 se refieren a diferentes estados físicos de la misma muestra de gas manteniendo la temperatura constante.










Debe señalarse que si bien la ley de Boyle es aplicable en una amplia gama de presiones, no siempre se cumple.

Ley de Gay-Lussac

Relacion entre la presión y la temperatura de un gas cuando el volumen es constante

Fue enunciada por Joseph Louis Gay-Lussac a principios de 1800.
establece la relacion entre la temperatura y la presión de un gas cuando el volumen es constante.

La presion de un gas es directamente proporcional  a su temperatura:
  • Si aumentamos la temperatura,aumentará la presión
  • Si disminuimos la temperatura, disminuirá la presión

 ¿Por qué ocurre esto?
Al aumentar la temperatura las moléculas del gas se mueven más rapidamente y por tanto aumenta el número de choques contra las paredes, es decir aumenta la presión ya que el recipiente es de paredes fijas y su volumen no puede cambiar.

Gay-Lussac descubrió que, en cualquier momento de este proceso, el cociente entre la presión y la temperatura siempre tenía el mismo valor:
(el cociente entre la presión y la temperatura es constante)

Supongamos que tenemos un gas que se encuentra a una P1 y a una T1 al comienzo del experimento. Si variamos la temperatura hasta un nuevo valor T2, entonces entonces la presión cambiará a P2, y se cumplirá:

que es otra manera de expresar la ley
Esta ley que al igual que la de Charles, está expresada en función de la temperatura absoluta. Al igual que la ley de Charles, las temperaturas se debe de expresar en kelvin .

Ejemplo:
Cierto volumen de un gas se encuentra a una presión de 970 mmHg cuando su temperatura es de 25.0°C ¿A qué temperatura deberá estar para que su presión  sea de 760 mmHg?

solución : Primero expresamos la temperatura en Kelvin:
T1 = (25+273)k = 298 k

Ahora sustituimos los datos en la ecuación:
970 mmHg
760 mmHg
------------
=
------------
298 K
T2

Si despejas T2 obtendrás que la nueva temperatura deberá ser  223.5 k  o lo que es lo mismo -39.5 °c

ECUACION GENERAL DE LOS GASES
En situaciones reales pueden producirse modificaciones en las tres variables analizadas presión temperatura y volumen.
la relación existente entre las misma queda expresada en la ecuacion general de los gases


P1 . V1 / T1 = P2 . V2 / T2

Leyes de los Gases y su Aplicación a la Fisiología Respiratoria


Las leyes de los gases afectan a las reacciones del cuerpo cuando hay cambios de presión atmosférica, temperatura y volumen.

Complementando la ley de Boyle-Mariotte existe una ley (de Gay-Lussac) que establece la relación entre el volumen y la presión a que está sometido un gas y su temperatura en el sentido de que presión multiplicada por el volumen y dividido por la temperatura es constante, si bien la relación con la temperatura no es muy importante en la función respiratoria humana, ya que el aire inspirado se calienta antes de llegar a los pulmones a una temperatura prácticamente constante. Según la ley de Charles, el volumen de un gas siempre que la presión sea constante, es proporcional a su temperatura.

Cuando los gases penetran en los pulmones si que están más calientes que el exterior y la presión es igual que la atmosférica, se expanden y aumenta ligeramente el volumen pulmonar.

El aire inspirado, procedente de la atmósfera (rico en oxígeno y pobre en anhídrido carbónico) sabemos que se mezcla con el aire del espacio muerto (pobre en oxígeno y rico en dióxido de carbono) y que a su paso por las vías respiratorias altas se va humedeciendo.

Si a esto le añadimos que continuamente se está produciendo una extracción de oxígeno del aire alveolar y una incorporación mantenida de anhídrido carbónico procedente de la sangre al aire alveolar, es lógico pensar que la composición del aire atmosférico y del aire alveolar no es la misma y que al variar el porcentaje de cada gas en la mezcla, también lo hará la presión parcial de cada gas en el alvéolo.
Otra variable que interviene en el proceso de difusión de los gases respiratorios es el coeficiente de solubilidad de cada gas. Los gases pasa difundirse deben disolverse en los tejidos corporales, constituidos básicamente por agua.


El índice de difusión de un gas a través de la membrana respiratoria es: directamente proporcional al área de superficie, a la solubilidad de ese gas para pasar por la membrana pulmonar y a las presiones parciales, e inversamente proporcional al espesor de la membrana que tiene que atravesar y a la raíz cuadrada del peso molecular del gas.

La sangre venosa que procede de todos los tejidos del organismo es pobre en oxígeno, siendo la presión parcial del oxígeno de 40 mm Hg. Esta sangre crea un gradiente de presión que favorece el paso de oxígeno desde el alvéolo (104- 105 mm Hg) al capilar pulmonar. A la salida del capilar, la sangre ya oxigenada eleva su presión parcial de oxígeno aproximadamente uno 100 mm Hg.

Con el anhídrido carbónico ocurre al contrario, es decir, la sangre venosa va recogiendo el anhídrido carbónico producido por los tejidos y a la entrada en los capilares pulmonares la presión parcial es de 45- 46 mm Hg, como en el alvéolo la presión parcial de este gas es menor, existe un gradiente que favorece el que el anhídrido carbónico deje el capilar para ir hacia el alvéolo y ser expulsado en la espiración.



Este gradiente de presión es menor que el que necesita el oxígeno para difundirse pero es suficiente ya que el coeficiente de solubilidad del anhídrido carbónico es mucho mayor que el del oxígeno.

El último proceso de la respiración es el de la respiración interna, también denominada respiración tisular.
  
La sangre que llega al corazón una vez oxigenada es bombeada por el ventrículo izquierdo hacia la aorta y de ahí hacia todas las células del organismo. Se produce entonces el intercambio de gases entre los capilares sanguíneos de los tejidos y las células de tal forma que la sangre se convierte en sangre pobre en oxígeno y con más anhídrido carbónico.

Los gases tienen que pasar de la sangre a las células, en el caso del oxígeno, para ofrecerse a las mismas a fin de poder obtener energía aeróbica en los procesos metabólicos, y el anhídrido carbónico producido en el interior de las células producto de los procesos metabólicos, debe de alcanzar los alvéolos para ser eliminado por la respiración.

A los capilares de los tejidos llega la sangre oxigenada con una presión parcial de oxígeno de 105 mm Hg, como la presión parcial del oxígeno en las células de los tejidos es menor (entre 10 y 30 mm Hg) porque la célula lo consume rápidamente, el gas tiende a difundirse hacia el líquido intersticial y las células hasta que la presión parcial del oxígeno en la sangre baja a los niveles con los que entra en el torrente circulatorio venoso ( 40 mm Hg).

El recorrido del anhídrido carbónico es en sentido contrario del que hace el oxígeno, ya que la presión parcial de CO2 en las células de los tejidos es mayor que la de la sangre arterial y, sin ser tan grande la diferencia de presiones, la difusión se ve facilitada por el alto coeficiente de solubilidad que tiene este gas.

A medida que pasa anhídrido carbónico de las células a la sangre, la presión parcial del CO2en sangre va aumentando hasta llegar a los niveles que tiene la sangre venosa del capilar (45 mm Hg). Esta sangre es llevada de en dirección centrípeta hacia el corazón derecho, desde donde es bombeada hacia los pulmones e iniciar un nuevo ciclo respiratorio.

El movimiento browniano

El movimiento descrito arriba, que lleva a cabo una particula muy pequeña que esta inmersa en un fluido, se llama movimiento browniano. Este moviemiento se caracteriza por ser continuo y muy irregular. La trayectoria que sigue la particula es en zigzag (figura 1)
Figura 1 Trayectoria irregular que sigue una particula browniana

 el fisico frances Jean Perrin dio una descripcion de este fenomeno "En un fluido en equilibrio, como el agua dentro de un vaso todas sus partes aparecen completamente sin movimiento. Si ponemos en el agua un objeto de mayor densidad, cae. La caida, es cierto sera mas lenta si el objeto es menor; pero un objeto visible siempre termina en el fondo del vaso y no tiende a subir. Sin embargo, sería difícil examinar durante mucho tiempo una preparación de partículas muy finas en un líquido sin observar un movimiento perfectamente irregular. Se mueven, se detienen, empiezan de nuevo, suben, bajan, suben otra vez, sin que se vea que tiendan a la inmovilidad.
De todo este trabajo, Brown sacó la conclusion de que tal fenomeno es característico de cualquier tipo de suspenciones en el que las particulas suspendidas tengan dimensiones muy pequeñas.
El famoso fisico ingles Michale Faraday defendió las ideas de Brown, señalando que este movimiento no se podia explicar por ninguna de las causas propuestas.
Entre 1850 y 1875 August Krönig, Rudolf Clausius, James Maxwell y Ludwing Boltzmann desarrollaron las bases de la moderna teoria cinetica de la materia. Supusieron que las sustancias estaban compuestas por átomos y a partir de su comportamiento microscópico obtuvieron como consecuencia algunas propiedades macroscópicas. En particular, pudieron fundamentar varios resultados que ya se conocian en la termodinamica y explicar diversos fenómenos. Calcularon, por ejemplo, propiedades tales como el calor especifico, la conductividad térmica y la viscosidad de gases poco densos y todo ello en términos de propiedades de los átomos que los constituyen.
Despues de 3 decadas de el trabajo de Brown nadie le tomo interes a dicho movimiento 
Pero despues algunas personas consideraron la posibilidad de que el movimiento browniano fuera causado por la colisiones de los átomos el fluido con la particula inmersa en él. El botánico alemán Karl Nägeli publicó un trabajo en 1879 en el que trató de probar que este mecanismo no podía ser el causante del movimiento browniano. El argumento que daban era muy sencillo. Si, como es el caso, la partícula inmersa en el fluido tiene una masa mucho mayor que la deun átomo del fluido (figura 2), entonces al chocar estas dos particulas, la particula masiva casi no es afectada por el choque. En particular, Nägeli usó los valores apropiados para hongos que introdujo en un gas: la masa del hongo era 300 millones de veces mas grande que la de la molécula de gas.











 Figura 2. Colisión de un átomo del fluido con la partícula browniana.


Sin embargo, Gouy  hizo la importante sugerencia de que el movimiento browniano podria ser una violacion a la segunda ley de la termodinámica. El argumento que daba era que, al moverse la particula en el fluido, en lugar de disipar su energia cinetica en calor debido a la friccion entre ellos (la viscosidad entre el fluido y la particula) ocurria que en ciertos momentos la velocidad de la particula aumentaba. Esto significaba que de alguna manera la particula extraía energía calorífica del fluido y la transformaba en enrgía cinética.
Propusieron rechazar de plano las teorías atómica y cinética de la materia y quedarse solamente con las leyes de la termodinámica.

En resumen, podemos decir que en los primeros años del siglo XX la situación era la siguiente: por una parte, no se tenía una explicación firme y clara de las causas del movimiento browniano; al contrario, lo que se tenía era un panorama muy confuso y contradictorio. Por otro lado, un gran número de importantes científicos no aceptaba la hipótesis de la constitución atómica de la materia. Ellos abogaban por la tesis según la cual no era necesario desarrollar una teoría microscópica de las propiedades de la materia (o sea, la teoría cinética) sino que las leyes de la termodinámica eran suficientes, pues contenían toda la información necesaria sobre un sistema físico. Además, así se evitarían todas las inconsistencias y paradojas que aparentemente contenía la teoría atómica.

Para demostrar un poco como es tal movimiento aqui se incluye un video para visualizarlo:http://www.youtube.com/watch?v=3EHQf3HRiDc&feature=youtube_gdata_player