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Observatorio Astronómico: Los sistemas macroscópicos y el planeta Marte
13/04/2021 | Por el ingeniero Edgardo Remo Benvenuto Pérez
Los sistemas macroscópicos.
Los cuerpos son sistemas macroscópicos porque están formados por miles de millones de partículas, todos los objetos y cuerpos que nos rodean están formados por miles de millones de partículas. Las partículas son: átomos (mínima partícula de un elemento químico eléctricamente neutra), moléculas (mínima partícula de una sustancia eléctricamente neutra que existe libre o aislada), iones (partícula de una sustancia con carga eléctrica). Por ejemplo, en medio litro de agua líquida (sustancia formada por moléculas H2O) hay aproximadamente 1,7 x 1025 moléculas (1,7 seguido de 25 ceros). En 1 g de sal común (sustancia formada por iones Cl- y Na+) hay aproximadamente 1 x 1022 iones (1 seguido de 22 ceros). En 1 m3 de aire (mezcla formada por moléculas), un cubo de 1 m de lado, hay aprox. 2,7 x 1025 moléculas.
Los millones de partículas que forman los cuerpos se presentan en distintos estados según las condiciones de presión P y temperatura T, si las partículas están separadas o juntas y no unidas: gas o vapor; si están unidas y no fijas entre si; líquido; si están unidas y fijas entre si: sólido.
La diferencia entre gas o vapor es que un gas no se puede licuar (unir las partículas) por presión P sin disminuir la temperatura T, un vapor se licúa por P sin cambiar la T. Se señala que se descarta el término “estado de agregación” porque agregar es juntar sin unir y en los líquidos y sólidos las partículas están unidas. La figura 1 muestra el ejemplo de la sustancia agua.
Figura 1: Ejemplo de sistema macroscópico
Sistema abierto, presión P = 1 atm. inerte, volumen V variable
Cuerpo: m = 1,0 kg; Sustancia: Agua (H2O).
O: moléculas de agua (en los 3 recipientes igual cantidad, aprox. 3,3 x 1028 moléculas)
Sólido, volumen ≈ 1,1 L Líquido, volumen ≈1,0 L Vapor, volumen ≈ 1,7 L (100 oC)
D = 0,9 Kg/L D = 1,0 Kg/L D = 0,6 Kg/L
PS-punto de solidificación = 0 oC = PF-punto de fusión = 0 oC.;
PEN-punto de ebullición normal = 100 oC. = PL-punto de licuación = 100 oC.
El estado gas fue estudiado empíricamente por R.Boyle (1627-1691) y J.L.Gay Lussac (1778-1850) que descubrieron leyes naturales que cumplen los gases en algunas condiciones de presión P y temperatura T.
Analizando los resultados experimentales de reacciones químicas entre gases, A.Avogadro (1776-
1856) enunció su ley: volúmenes V iguales de distintos gases en iguales condiciones de presión P y temperatura T contienen igual número o cantidad de moléculas.
A mediados del siglo XIX, J.J.Loschtmidt (1821-1895) mide el número de moléculas en 1 cm3 de gas y se conoce que la cantidad es muy elevada. Actualmente se define el mol como la unidad internacional de cantidad de partículas identificadas o especies en el Sistema Internacional SI: cantidad de átomos en 0,012 kg de 126C, se llama número de Avogadro NA: 1 mol de especies ≈ 6,022 x 1023 especies. Se destaca que se debe explicitar la partícula y sustancia de la especie, por ejemplo, moléculas de agua, átomos de hierro Fe, iones de cloruro de sodio Na+Cl-.
A mediados del siglo XIX algunos gases, por ejemplo, oxigeno, nitrógeno, hidrógeno, no se podían licuar, se llamaron “gases estables”. En 1869 T.Andrews realizó experiencias de cambios de estado con dióxido de C (CO2) variando la P y la T (masa constante), descubrió que cada sustancia tiene una temperatura mínima (temperatura crítica Tc) para licuarse, a mayor temperatura crítica Tc no existe la sustancia en estado líquido, es un gas, a menos T que Tc es un vapor.
Otro tema importante del estado gas fue la teoría cinética de los gases desarrollada por J.C.Maxwell (1631-1879) y L.Boltzmann (1844-1906): suponen que las moléculas del gas están en constante movimiento y cumplen con la mecánica clásica (leyes de Newton), pero tienen que aplicar estadística para obtener una velocidad representativa de las moléculas. Este modelo justifica las leyes empíricas de Boyle, Gay Lussac y la ley de Avogadro y verificó aún más el modelo clásico de Newton que desde fines del siglo XVII había justificado el Sistema Solar (mecánica celeste), ahora también era válido para microsistemas, quién iba a dudar del modelo de Newton !!: Einstein.
En el estudio de los estados de los cuerpos según las condiciones de P y T, se descubrió que, aparte de la Tc de Andrews, existe una única condición P-T en la cual los 3 estados sólido – líquido - vapor coexisten en equilibrio: el Punto Triple PT. A P menores que el PT no existe la sustancia en estado líquido, solo como sólido o vapor. Cada sustancia tiene valores de Tc y PT propios.
La figura 2 muestra el diagrama P – T, la Tc y el PT para la sustancia agua.
Figura 2: la P en atm.; la T en oC.
En la figura 2, hielo es agua sólida y agua es agua líquida.
Una sustancia que interesa es el CO2, la figura 3 muestra el diagrama P – T para el CO2.
Figura 3: dice gas pero es vapor de CO2, es gas a t > 31,1 oC.
El planeta Tierra.
Las condiciones ambientales de la Tierra CAT son: presión de la atmósfera en la superficie, se llama presión normal, 1 atm = 760 mm Hg, temperatura entre – 40 y 50 oC. Luego, según la figura 2, la sustancia agua H2O se encuentra en la Tierra en los 3 estados macroscópicos: vapor, líquido, sólido (hielo). Se destaca que en Condiciones Ambientales de la Tierra CAT el agua no es gas sino vapor.
En CAT no existe CO2 líquido, el CO2 es líquido a P mayor de 5,2 atm (figura 3). El CO2 sólido se llama “hielo seco” porque en la Tierra a P = 1 atm., el CO2 sólido no pasa a líquido sino a vapor.
El planeta Marte.
El planeta Marte es conocido desde la antigüedad, hasta Saturno los planetas son visibles a simple vista. Se lo llamó “planeta rojo” porque se observa de color rojizo debido a que en su superficie hay
óxidos de Fe. Tiene una montaña de 22,5 km, el monte Olimpo. Tycho Brahe (1546–1601) describió el movimiento de Marte y de todos los planetas visibles sin telescopio. En 1877 G.Schiaparelli observó en Marte muchas líneas y propuso que eran canales artificiales: figura 4. En 1898, H.G.Wells publica “La guerra de los mundos”, la invasión a la Tierra por marcianos. El 30 de octubre de 1938 en USA, Orson Welles difunde por radio la novela de H.G.Wells como si fuera real creando pánico en los oyentes: figura 5.
Figura 4: los canales de Marte (1888 Figura 5: transmisión por radio de O.Welles
En la década de 1960 se envían sondas espaciales a Marte para obtener fotos y datos. El primer amartizaje fue el 2 de diciembre de 1971, el Mars 3 (URSS) y en 1976 los VIkings 1 y 2 (USA). Después del 2000 varios robots se desplazaron por su superficie y se obtienen muchos datos de Marte. El último robot es el Perseverance que llegó a Marte el 18 de febrero de 2021: figura 6.
La figura 7 muestra a Marte con los casquetes polares.
Figura 6: Perseverance en Marte Figura 7: Marte y los casquetes polares
Se comparan datos de la Tierra y Marte:
t oC. P atm. MM g/mol D kg/m3 g m/s2 H km I km
Tierra 15 1 ≈ 29 1,22 9,81 8,42 5,8
Marte - 58 0,007 ≈ 43,6 0,0195 3,73 10,98 7,6
Datos: MM: masa molar promedio y D densidad media de la atmósfera; g: aceleración en la superficie (1 kgF de peso es aprox. 0,4 kgF en Marte, la masa es la misma, 1 kg); H es la altura que la P disminuye el 63 % (en la Tierra 0,37 atm = 281 mm Hg); I es la altura que la P es la mitad (en la Tierra 0,5 atm = 380 mm Hg).
Marte tiene atmósfera, su composición es aprox. 95 % CO2, N2 3 %, Ar 1,6 % y el resto 0,4 % trazas de O, agua, metano. La presión P es aprox. 0,23 mm Hg = 0,0003 atm. en el monte Olimpo (22,5 km), 8,7 mm Hg = 0,01 atm. en depresiones, la Pmedia es 4,5 mm Hg = 0,006 atm.
Se señala que la atmósfera se extiende a mayor altura que el monte Olimpo (22,5 km) disminuyendo su densidad gradualmente. La atmósfera de Marte desaparece lentamente, por ejemplo, por la baja gravedad, los vientos solares. En Marte hay vientos muy fuertes, mayores a 500 km/h. La temperatura varía entre – 80 y 20 oC..
En Marte solo puede existir agua líquida donde la presión P es mayor a 0,006 atm (figura 2) y la temperatura T es mayor a 0 oC., si puede existir agua sólida (hielo) donde la T es menor a 0,01 oC.
No puede existir CO2 líquido, si CO2 sólido donde la temperatura T es menor a aprox. – 55 oC.