Importancia del Movimiento Browniano en la comprobación de la Teoría Cinética de la Materia

En el año de 1828 el botánico inglés  Robert Brown observó que en una solución de agua el polen de cierta hierba (Clarkia pulchella) realizaba un  movimiento continuo, muy accidentado, en zigzag. Al examinar estas partículas y después de observaciones repetidas se convenció de que estos movimiento no surgían de corrientes en el fluido, ni de su gradual evaporación, sino que pertenecían a la misma partícula.

Gracias a esto se logró concluir para ese momento que el movimiento que lleva a cabo una partícula muy pequeña que está inmersa en un fluido, se llama movimiento Browniano, este movimiento se caracteriza por ser continuo y muy irregular.

Figura 1. Trayectoria irregular que sigue una partícula browniana.

Con ayuda de lo mencionado anteriormente y de los puntos ya expuestos en el blog “Postulados de la Teoría Cinética de la Materia" y “La deducción matemática de la presión y la temperatura, bajo la Teoría Cinética de la Materia" les expondremos como el Movimiento Browniano tiene de gran importancia en la comprobación de la Teoría Cinética de la Materia.

Hacia mediados del siglo XIX se enfrentaba la siguiente situación: por un lado, se habían planteado las leyes de la termodinámica que, se referían a aspectos macroscópicos del comportamiento de las sustancias; y por el otro lado, ya se tenía un cuerpo de teoría adecuado, aunque incompleto que implicaba que la materia estaba compuesta de partículas microscópicas, llamadas átomos.  

Entonces ante la necesidad de conciliar estos dos conocimientos, se planteó la siguiente cuestión: si la materia, en efecto, está compuesta de partículas microscópicas, ¿qué consecuencias macroscópicas tiene el comportamiento microscópico de una sustancia?

Gracias a esto entre 1850 y 1875 Agust Krönig (1822-1879) Rudolf Clausius, James C. Maxwell (1831-1879) y Ludwing Boltzmann (1844-1906) desarrollaron las bases de la moderna teoría cinética de la materia. Supusieron que las sustancias estaban compuestas de átomos y a partir de su comportamiento microscópico obtuvieron como consecuencia algunas propiedades macroscópicas.

Igualmente hacia mediados del siglo XIX se habían formado muchas hipótesis del Movimiento Browniano, en particular se pudo probar de manera contundente que este movimiento no se debía a que hubiera diferencias de temperatura entre dos regiones del espacio. El movimiento browniano se presenta también cuando la temperatura es la misma en todos los puntos del fluido. En 1863 Wiener formuló varios argumentos para mostrar que el movimiento browniano no podía atribuirse a causas externas, sino que tenía que deberse a movimientos internos del fluido. Asimismo, Cantoni lo atribuyó a movimientos térmicos en el líquido, y consideró que este fenómeno nos daba una demostración experimental, bella y directa, de los principios fundamentales de la teoría mecánica del calor.

Figura 2. Las velocidades de los átomos de un fluido tienen todos las posibles direcciones y sentidos.

Como se ha ido explicando para estos tiempos ya se hablaba de que las partículas que componían las sustancias se movían, combinando así la materia y los estados de está con el movimiento browniano. Algunas personas consideraron la posibilidad de que el movimiento browniano fuera causado por las colisiones de los átomos del fluido con la partícula 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. Para ello, usó las estimulaciones de las masas y velocidades de los átomos que se habían obtenido de la teoría cinética para calculas los cambios en la velocidad que experimenta la partícula browniana después de una colisión con un átomo del fluido. El químico inglés William Ramsay llego simultáneamente a la misma conclusión y argumento que la partícula inmersa en el fluido tiene una masa mucho mayor que la de un átomo del fluido entonces al chocar estas dos partículas, la partícula masiva casi no es afectada por el choque. 

Figura 3. Colisión de un átomo del fluido con partícula browniana.

En el año de 1905 el físico Albert Einstein público un célebre trabajo el que propuso la explicación del movimiento browniano. El artículo se titulaba "Sobre el movimiento de pequeñas partículas suspendidas en líquidos en reposo requerido por la teoría cinético-molecular del calor" 

En este trabajo describió el movimiento de las moléculas suspendidas en un líquido, y que quizás este fenómeno era idéntico a un fenómeno químico del que había oído hablar, el movimiento browniano. Con ayuda de ese punto de partida, continuó demostrando que podía usar las teorías del calor en vigor para describir cómo el calor, incluso a temperatura ambiente, provocaría que las moléculas del líquido estuviesen en continuo movimiento. Este movimiento haría a su vez que cualquier partícula suspendida en el líquido resultase empujada. Einstein obtuvo además de conclusiones cualitativas predicciones cuantitativas que podrían compararse con resultados experimentales. Entre estas predicciones destacan dos muy importantes: predijo la distancia que debe recorrer una partícula suspendida en un fluido y además mostró que la segunda ley de la termodinámica se cumple sólo en promedio.

Figura 4. El desplazamiento cuadrático medio de la partícula browniana predicho por Einstein. 

Es así como el trabajo de Einstein ofrece la explicación del movimiento browniano y a su vez como este va de la mano con la teoría cinética de la materia.

La deducción matemática de la presión y la temperatura, bajo la Teoría Cinética de la Materia

Como ya vimos anteriormente toda la materia (solida, liquida y gaseosa) está formada por partículas en constante movimiento. A causa de este movimiento aleatorio las partículas de la materia tienen energía cinética.

De acuerdo a lo anterior podemos encontrar dos conceptos fundamentales para una mejor comprensión de la teoría cinética de la materia. Estos dos conceptos son la temperatura y la presión.

Entendemos que la temperatura es una medida del calor o energía térmica de las partículas en una sustancia, por lo tanto la temperatura se define como el promedio de la energía cinética de las partículas que componen a la materia. A mayor temperatura mayor será la energía cinética de las partículas y viceversa.

Por otro lado tenemos el concepto de presión, que se obtiene dividiendo la fuerza entre el área sobre la cual actúa la fuerza.
Presión=F/A

Entendemos entonces que al ejercer una fuerza sobre una superficie en el caso de un sólido y un liquido altera su masa y volumen, mientras que en un gas al quitarle la presión este tiende a aumentar de masa siguiendo la ley de Boyle y Mariotte, que dice que al disminuir la presión ejercida por un gas este aumenta su volumen, mas adelante veremos esto con mayor detalle.

Como se muestra en la imagen la energía cinética de la materia se puede definir de esta manera: Entre menor sea la energía cinética menor sera la temperatura absoluta y entre mayor sea la energía cinética mayor sera la temperatura absoluta.

Como se muestra en la imagen la presión de un liquido es la fuerza que ejerce contra las paredes de este.

Este es un enlace que muestra un vídeo que fue tomado de YouTube y con ayuda de este y la información ya antes proporcionada de los Postulados se logrará una explicación más amplia ya que desde el minuto 4 también habla de lo acabado de exponer la Presión y Temperatura.

Postulados de la Teoría Cinética de la Materia

Todo lo que nos rodea está formado por unas partículas muy pequeñas, llamadas moléculas. Las moléculas están en continuo movimiento y entre ellas existen fuerzas atractivas, llamadas FUERZAS DE COHESIÓN. Las moléculas, al estar en movimiento, se encuentran a una cierta distancia unas de otras. Entre las moléculas hay espacios vacíos. Cuando aumenta la temperatura, las moléculas se mueven más rápido.

Postulados de la teoría cinética de la materia:

1.-La materia esta compuesta por partículas.

2.-Existe un espacio vacío entre ellas.

3.-Estas partículas se encuentran en constante movimiento y entre ellas existen fuerzas atractivas, llamadas fuerzas de cohesión.

4.- La velocidad del movimiento de partículas dependerá de la temperatura.  Cuando la temperatura del cuerpo aumente, sus partículas se moverán a mayor velocidad y viceversa.

Con este modelo, puede explicarse perfectamente el hecho de que la materia pueda encontrarse en tres estados: (a) SÓLIDO   (b) LÍQUIDO  (c) GASEOSO

 Hay un espacio vacío entre las partículas. Y estas partículas también poseen movimiento, que se ve afectado por la temperatura. Es decir a mayor temperatura mayor velocidad en el movimiento de las partículas.

SOLIDO:

Cuando aumentamos la temperatura de un sólido.  Sus moléculas se moverán más rápidamente y aumentara la distancia entre ellas. Las fuerzas de cohesión disminuyen y llegará un momento en que éstas fuerzas son incapaces de mantener a las moléculas fijas, así las moléculas pueden desplazarse, el estado sólido entonces se va a convertir en un líquido.

LIQUIDO:

Si aumenta la temperatura de un líquido, sus moléculas aumentara su rapidez, la distancia entre ellas irá aumentando y las fuerzas de cohesión van disminuyendo hasta que finalmente las moléculas pueden liberarse unas de otras, y así este conjunto de moléculas se convertirá en estado gaseoso.

GASEOSO:

Si se disminuye la temperatura de un estado gaseoso, disminuye la rapidez de sus moléculas y así unas a las otras se acercan, esto para que sus fuerzas de cohesión, que siempre aumentan al disminuir la distancia, puedan mantenerlas unidas, así pasará a estado líquido.

Si se disminuye aún más la temperatura, se moverán más lentamente las moléculas, así que la distancia entre ellas seguirá disminuyendo, las fuerzas de cohesión aumentarán más y llegará un momento que son lo suficientemente intensas como para impedir que las moléculas puedan desplazarse, obligando a ocupar posiciones fijas, así se ha convierte en estado sólido.

ESTE VÍDEO DE LA ENCICLOPEDIA BRITÁNICA AYUDARÁ A UNA MEJOR COMPRENSIÓN SOBRE LOS TRES ESTADOS DE LA MATERIA.