1 Propietats de la matèria

La matèria és tot el que ens compon i el que ens envolta. En les condicions de l’escorça terrestre, es troba en tres estats d’agregació diferents, però la matèria té tres característiques comunes.

La matèria, o sistema material, és tot el que posseeix una propietat fonamental anomenada massa, i ocupa un espai, és a dir, un volum.

Quan ens referim a matèria en estat sòlid, amb límits definits, utilitzam la denominació de cos, que pot ser regular, si té una forma geomètrica coneguda (cub, esfera, cilindre, etc.), o irregular, en cas contrari. Per fer referència a una porció de matèria en estat líquid o gasós, utilitzam la denominació sistema material.

La percepció diferent que tenim de la matèria es deu també a les seves propietats. Així, distingim entre:

• Propietats generals. Són les propietats que ens permeten distingir el que és matèria del que no ho és, però no ens permeten diferenciar uns materials d’uns altres. Les més importants són massa i volum.

• Propietats característiques o específiques. Són les propietats que ens permeten diferenciar un tipus de matèria d’una altra. Algunes són la densitat, les temperatures de canvi d’estat, la conductivitat elèctrica o la conductivitat tèrmica, i moltes altres.

1.1 Propietats generals: massa i volum

Com estudiarem en els pròxims cursos, la massa està relacionada amb altres variables, com la quantitat de substància, la força d’atracció que hi exerceix la Terra (el pes) o la dificultat amb la qual s’altera la seva velocitat (inèrcia).

La massa és la quantitat de matèria que té un cos o sistema material. Es tracta d’una magnitud fonamental.

La massa es mesura amb una balança i la seva unitat en el SI es el quilogram.

Tipus de balances

Balança de dos braços Balança d’un braç Balança digital o electrònica

Per mesurar la massa d’un objecte, es col·loca l’objecte en un dels platets i a l’altre col·locam pesos, de major a menor volum, fins aconseguir l’equilibri de la balança. La massa de l’objecte és la suma de les masses dels pesos utilitzats.

En aquest cas, es col·loca l’objecte al platet i es mouen els pesos que hi ha a les guies, de major a menor valor, fins a equilibrar-la. La massa de l’objecte és la suma dels valors indicats a les posicions dels pesos.

El seu funcionament és molt més senzill que el de les balances analògiques. Es posa l’objecte al platet i per mitjà de sensors, se’n mesura la massa per l’acció de la força pes. El valor de la mesura es mostrarà a la pantalla digital.

L’altra propietat general de la matèria és el volum; és a dir, l’espai que ocupa. Es tracta en aquest cas d’una magnitud derivada. La seva unitat en el SI és el metre cúbic, m3

El volum és l’espai que ocupa un cos o un sistema material.

Para mesurar el volum d’un líquid, és necessari introduir-lo en un recipient; el volum màxim que pot contenir un recipient és la seva capacitat; la unitat de capacitat és el litre (L).

Un litre és el volum màxim que pot contenir un recipient cúbic d’1 dm d’aresta. Amb freqüència utilitzam alguns múltiples i submúltiples del litre:

Per mesurar diferents volums de líquids, utilitzam material graduat, com provetes graduades, pipetes o buretes; no obstant això, per mesurar volums concrets de líquids utilitzam material aforat, com ara matrassos i pipetes aforades, amb una capacitat corresponent al volum mesurat.

Consulta el material de laboratori per mesurar volums de líquids a la presentació que t’oferim a anayaeducacion.es

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA

1 Pensa i comparteix en parella. És la llum matèria? Responeu aquesta pregunta donant arguments a partir de les propietats generals de la matèria.

2 Quina magnitud s’ha mesurat a la imatge del cub? Es tracta d’una mesura expressada en unitats del SI? Si la teva resposta és negativa, escriu el valor d’aquesta mesura en unitats del SI.

El volum d’un sòlid irregular coincideix amb el volum d’aigua que desplaça i s’obté restant els volums d’aigua amb el sòlid introduït i sense.

El volum d’un sòlid regular s’obté mesurant-ne les dimensions i aplicant-hi l’expressió matemàtica corresponent; per exemple, el volum d’un cilindre de radi r i altura L és:

3 No tot el material de vidre del laboratori s’utilitza per mesurar volums. Identifica a la fotografia del material de vidre els recipients que tenen altres usos, dibuixa’ls i explica per a què s’empren.

4 Un error comú és confondre el centilitre, cL, amb el centímetre cúbic, cm3. Utilitzant les equivalències que hem vist, indica quina relació hi ha entre aquestes dues unitats.

Exercici Resolt

1.2 Una propietat específica: la densitat

El valor d’aquest propietat, que és una magnitud derivada, ens permet diferenciar unes substàncies d’altres.

La densitat és la relació entre la massa d’un cos, o sistema material, i el volum que ocupa.

Aquesta relació, en llenguatge matemàtic, es representa mitjançant un quocient:

A l’expressió anterior, m és la massa, que en unitats del SI es mesura en kg; V és el volum, expressat en m3, i d serà, llavors, la densitat en kg/m3, que és la unitat del SI per aquesta magnitud derivada.

En el llenguatge quotidià tendim a utilitzar de forma errònia el concepte de densitat; per exemple, quan deim que «alguna cosa sura a l’aigua perquè pesa poc» feim referència només al fet que té poca massa. Això és incorrecte, ja que perquè un sistema material suri damunt un altre, la relació entre la massa i el volum del primer ha de ser menor que la del segon; és a dir, que el primer sigui menys dens que el segon.

1 Enginya una forma per determinar el material de què estan fets dos objectes, si sospitam que un és de ferro i l’altre de plom.

Dades:

Objecte A: massa = 36,2 g; volum = 3,20 mL

Objecte B: massa = 33,8 g; volum = 4,30 mL

Una forma pot ser calcular la densitat de cada un i comparar-ne els resultats amb les densitats tabulades del ferro i del plom.

Per obtenir la densitat en unitats del SI, hem d’expressar la massa i el volum en les unitats del SI corresponents, kg i m3, respectivament.

Per tenir la massa en kg, dividim entre 103: mA = 36,2 g = 0,036 2 kg = 3,62 · 10–2 kg mB = 33,8 g = 0,033 8 kg= 3,38 · 10–2 kg

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA …

5 Utilitza els factors de conversió i la notació científica per realitzar els canvis d’unitats de les mesures expressades a l’exercici resolt anterior.

6 Cercle de punts de vista. Indica com mesuraries el volum dels objectes de l’exercici resolt. Per què creus que donen aquesta dada expressada en mil·lilitres?

7 Podries emmagatzemar 8 kg d’etanol en una garrafa de 7 L? Calcula si sobrarà o faltarà etanol.

Sabem que 1 mL = 1 cm3. Per expressar el volum en m3, hem de dividir entre 106: VA = 3,20 mL = 3,20 · 10–6 m

VB = 4,30 mL = 4,30 · 10–6 m

Dividint massa entre volum, obtenim la densitat en cada cas:

Comparant aquests resultats amb la taula, observam que el material A correspon al plom, i el B, al ferro.

8 Full giratori. La fusta de balsa ( Ochroma piraminade ) és una fusta molt cotitzada, perquè és molt poc densa ( d = 160 kg/m 3) i, no obstant això, és molt resistent. Quines aplicacions creus que té aquest tipus de fusta?

9 Calcula la massa d’una taula de surf d’aproximadament 60 dm3 de volum a partir de les dades de l’activitat anterior.

1.3 Mesura de la densitat

■ Mesura directa de la densitat

La densitat d’un líquid es pot mesurar de forma directa utilitzant el densímetre, un instrument de vidre que consisteix en un cilindre buit amb un bulb pesat en un dels extrems que pot surar en posició vertical. Per mesurar el valor de la densitat, el col·locam verticalment al líquid i el deixam surar lliurement; s’enfonsarà més o menys segons si el líquid és menys o més dens. El valor de la densitat es llegeix a l’escala del densímetre (mirau la imatge).

■ Mesura indirecta de la densitat

La densitat es una magnitud derivada, per la qual cosa pot calcular-se a partir dels valors de les magnituds que la defineixen: la massa i el volum. Per fer-ho, mesurarem els valors de la massa i del volum del cos de forma independent, i calcularem el valor del seu quocient. Obtendrem així el valor de la densitat.

Per mesurar la massa utilitzarem una balança, i per mesurar el volum, requerirem d’instruments diferents en funció de si es tracta d’un sòlid regular, irregular o d’un líquid o d’un líquid.

• Orientacions per a l’ús de la balança

Podem utilitzar balances analògiques (d’un o dos braços) o digitals. El seu ús ja s’ha descrit anteriorment. Hem d’evitar l’error de zero: quan els platets estan buits, la balança ha de marcar zero. Als extrems dels braços hi ha uns perns per regular-les. En el cas de les balances electròniques, s’haurà de tarar en zero cada vegada que es faci una pesada.

• Orientacions per a l’ús de la proveta

Quan empram instruments graduats, com la proveta, és important evitar l’error de paral·laxi (imatge inferior).

Procediment experimental

Amb una balança, mesuram la massa de l’objecte del qual volem conèixer la densitat.

Amb una proveta, en calcularem el volum (a anayaeducacion.es t’explicam com fer-ho).

Investiga els fonaments del densímetre m = 24 g = 0,024 kg

En quina propietat es basa la mesura de la densitat de la imatge? Investiga sobre la flotabilitat i comparteix les teves conclusions amb el teu equip de treball.

V = 8 mL = 0,000 008 m3 d = m V d = d 0, 00000m 0, 24 kg 3kg/m 000 8 3 3

Finalment, dividim la massa de l’objecte entre el seu volum, i aplicam les regles d’arrodoniment.

2