Propiedades extensivas de la materia: qué son, características, ejemplos
¿Qué son las propiedades extensivas?
Las propiedades extensivas son aquellas que dependen del tamaño o de la porción de la materia que se está considerando. Al contrario, las propiedades intensivas son independientes del tamaño de la materia; por lo tanto, no cambian al agregar material.
Entre las propiedades extensivas se encuentran la masa y el volumen, ya que al modificarse la cantidad de material a considerar, ellas varían. Al igual que otras propiedades físicas, se pueden analizar sin que se produzca un cambio químico.
Son ejemplos de propiedades extensivas: el peso, la fuerza, la longitud, el volumen, la masa, el calor, la potencia, la resistencia eléctrica, la inercia, la energía potencial, la energía cinética, la energía interna, la entalpía, la energía libre de Gibbs, la entropía, la capacidad calórica a volumen constante o la capacidad calórica a presión constante.
Características de las propiedades extensivas
Son aditivas
Una propiedad extensiva es aditiva para sus partes o subsistemas. Un sistema o material puede dividirse en subsistemas o partes y la propiedad extensiva considerada puede ser medida en cada una de las entidades señaladas.
El valor de la propiedad extensiva del sistema o material completo es la suma del valor de la propiedad extensiva de las partes.
Relación matemática entre ellas
Las variables como longitud, volumen y masa son ejemplos de cantidades fundamentales, las cuales son propiedades extensivas. Las cantidades deducidas son variables que se expresan como combinación de cantidades deducidas.
Si se divide una cantidad fundamental como la masa de un soluto en una solución entre otra cantidad fundamental, como el volumen de la solución, se obtiene una cantidad deducida: la concentración, que es una propiedad intensiva.
En general, si se divide una propiedad extensiva entre otra propiedad extensiva se obtiene una propiedad intensiva. Mientras que si se multiplica una propiedad extensiva por una propiedad extensiva se obtiene una propiedad extensiva.
Es el caso de la energía potencial que es una propiedad extensiva, es el producto de la multiplicación de tres propiedades extensivas: la masa, la gravedad (fuerza) y la altura.
Una propiedad extensiva es una propiedad que cambia a medida que cambia la cantidad de materia. Si se agrega materia se produce un incremento de dos propiedades extensivas como son la masa y el volumen.
Ejemplos de propiedades extensivas
Masa
Es una propiedad extensiva que es una medida de la cantidad de materia de una muestra de cualquier material. Cuanto mayor es la masa mayor será la fuerza necesaria para ponerla en movimiento.
Desde el punto de vista molecular, a mayor masa, mayor es el cúmulo de partículas que experimentan las fuerzas físicas.
Masa y peso
La masa de un cuerpo es la misma en cualquier lugar de la Tierra; mientras que su peso, es una medida de la fuerza de gravedad y varía con la distancia al centro de la Tierra. Como la masa de un cuerpo no varía con su posición, la masa es una propiedad extensiva más fundamental que su peso.
La unidad fundamental de la masa en el sistema SI es el kilogramo (kg). El kilogramo se define como la masa de un cilindro de platino-iridio almacenado en una bóveda de Sevres, cerca de París.
1000 g = 1 kg
1000 mg = 1 g
1000000 μg = 1 g
Longitud
Es una propiedad extensiva que se define como la dimensión de una línea o de un cuerpo considerando su extensión en línea recta.
También se define la longitud como la magnitud física que permite marcar la distancia que separa dos puntos en el espacio, la cual se puede medir, de acuerdo con el Sistema Internacional, con la unidad metro.
Volumen
Es una propiedad extensiva que señala el espacio que ocupa un cuerpo o material. En el sistema métrico, los volúmenes suelen medirse en litros o mililitros.
1 litro equivale a 1.000 cm3. 1 ml es 1 cm3. En el Sistema Internacional, la unidad fundamental es el metro cúbico, y el decímetro cúbico sustituye a la Unidad Métrica el litro; es decir, un dm3 equivale a 1 L.
Fuerza
Es la capacidad para realizar un trabajo físico o movimiento, así como la potencia para sostener un cuerpo o resistir un empuje. Esta propiedad extensiva tiene claros efectos para grandes cantidades de moléculas, ya que considerando a las moléculas individuales, estas nunca están quietas; siempre se mueven y vibran.
Hay dos tipos de fuerzas: las que actúan en contacto y las que actúan a distancia.
El Newton es la unidad de fuerza, definido como la fuerza que aplicada a un cuerpo de una masa de 1 kilogramo, le comunica una aceleración de 1 metro por segundo al cuadrado.
Energía
Es la capacidad de la materia de producir trabajo en forma de movimiento, luz, calor, etc. La energía mecánica es la combinación de la energía cinética y de la energía potencial.
En la mecánica clásica se dice que un cuerpo realiza trabajo cuando altera el estado de movimiento de un cuerpo.
Las moléculas o cualquier tipo de partícula siempre tienen asociados niveles de energía y son capaces de realizar trabajos con los estímulos adecuados.
Energía cinética
Es la energía asociada al movimiento de un objeto o partícula. Las partículas, aunque son muy pequeñas y tienen por tanto poca masa, viajan a velocidades que rozan la de la luz. Como depende de la masa (1/2 mV2), se le considera una propiedad extensiva.
La energía cinética de un sistema en cualquier instante de tiempo es la suma simple de las energías cinéticas de todas las masas presentes en el sistema, incluyendo la energía cinética de rotación.
Un ejemplo es el sistema solar. En su centro de masa el sol está casi estacionario, pero los planetas y planetoides están en movimiento alrededor de él. Este sistema sirvió de inspiración para el modelo planetario de Bohr, en el cual el núcleo representaba al sol y los electrones los planetas.
Energía potencial
Independientemente de la fuerza que la origina, la energía potencial que posee un sistema físico, representa la energía almacenada en virtud de su posición. Dentro de un sistema químico, cada molécula posee su propia energía potencial, de manera que es necesario considerar un valor promedio.
La noción de energía potencial se relaciona con las fuerzas que actúan sobre el sistema para trasladarlo de una posición a otra de del espacio.
Un ejemplo de energía potencial está en el hecho de que un cubo de hielo impacta con el suelo con menos energía comparado a un bloque macizo de hielo; además, la fuerza del impacto depende también de la altura donde son arrojados los cuerpos (distancia).
Energía potencial elástica
A medida que se estira un resorte, se observa que se requiere de un mayor esfuerzo para aumentar el grado de estiramiento del resorte. Esto se debe a que en el seno del resorte se genera una fuerza que se opone a la deformación del resorte y que tiende a regresarlo a su forma original.
Se dice que en el seno del resorte se acumula una energía potencial (la energía potencial elástica).
Calor
El calor es una forma de energía que siempre fluye de manera espontánea de los cuerpos con mayor contenido calórico a los cuerpos de menor contenido calórico; es decir, del más caliente al más frío.
El calor no es una entidad como tal, lo que existe es transferencia de calor, de los sitios de mayor temperatura a los sitios con menor temperatura.
Las moléculas que constituyen un sistema vibran, rotan y se trasladan, originando una energía cinética promedio. La temperatura es proporcional a la velocidad promedio de las moléculas en movimiento.
La cantidad de calor transferido suele expresarse en Joule, y también se expresa en calorías. Existe una equivalencia entre ambas unidades. Una caloría equivale a 4,184 Joule.
El calor es una propiedad extensiva. Sin embargo, el calor específico es una propiedad intensiva, definiéndose como la cantidad de calor que se necesita para elevar la temperatura de 1 gramo de sustancia un grado Celsius.
Así, el calor específico varía por cada sustancia. ¿Y cuál es la consecuencia? En la cantidad de energía y tiempo que demora un mismo volumen de dos sustancias en ser calentadas.
Temas de interés
Referencias
- Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. The Difference between Intensive and Extensive Properties. Recuperado de: thoughtco.com
- Texas Education Agency (TEA). Properties of Matter. Recuperado de: texasgateway.org
- Wikipedia. Intensive and extensive properties. Recuperado de: en.wikipedia.org