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MATERIA Y ENERGÍA. MATERIA Y ENERGÍA Introducción (1). - PowerPoint PPT Presentation
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MATERIA Y ENERGÍA
MATERIA Y ENERGÍA
Introducción (1)
A pesar de los grandes avances sobre estos conceptos, acaecidos en el siglo XIX y XX, aún hoy puede decirse que continúan habiendo grandes interrogantes, y que la humanidad aún dista mucho de conocer la “naturaleza profunda” de la materia y la energía.
Estos interrogantes, esta incertidumbre, se extienden desde lo infinitamente grande (el universo) hasta lo infinitamente pequeño (el átomo con todo su conjunto de partículas subatómicas), desde la naturaleza de la luz hasta las enormes energías encerradas en el interior de los núcleos atómicos.
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Introducción (2)
El conocimiento de los aspectos íntimos de la materia y de la energía se ven constreñidos por una doble limitación:
por la disponibilidad de instrumentos (de tecnología) capaces de detectar ciertos fenómenos (por ejemplo, un acelerador lineal capaz de lanzar un chorro de electrones contra el núcleo de un átomo y romperlo, así como un sistema de detención capaz de “ver” las partículas subatómicas desprendidas)
por los inconvenientes derivados de la interacción entre el aparato de medida y el fenómeno que se quiere observar (muchas veces, la presencia del aparato de medida impide que el fenómeno se manifiesta en su naturaleza real)
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Introducción (3)
La Física también se plantea “modelos teóricos”, formulaciones matemáticas de las teorías derivadas de los nuevos conocimientos.
Así los avances de los conocimientos sobre la materia y la energía se apoyan en una parte experimental y otra parte teórica.
Incluso, puede afirmarse que la enorme complejidad de estos temas, las formidables incógnitas que se plantean, acercan cada vez más las Ciencias Básicas y las Tecnologías, a la Filosofía.
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Introducción (4)
También ha de señalarse una dificultad añadida para la comprensión de estos temas, cual es el lenguaje empleado para tratarlos y para explicitarlos.
El lenguaje común se ha configurado sobre la experiencia cotidiana de los sentidos, es decir, sobre los conceptos de una “Física clásica” que la imaginación percibir (movimiento, partícula, masa, etc.).
Los fenómenos que ocurren “al margen de nuestros sentidos” resultan difíciles de entender y requieren nuevos términos para su expresión.
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Estructura de la materia: Generalidades (1)
Según el diccionario, “materia es la sustancia de que están constituidas las cosas”. También, “cualquier cosa que ocupa espacio”, añadiéndose también en algunas definiciones que la materia “posee masa” y que puede “presentarse” en tres “estados”: Sólido, Líquido y Gaseoso.
Los griegos, partiendo de que la materia sólida podía dividirse en pequeños granos, en motas de polvo, definieron con la palabra “átomo” lo que teóricamente consideraban la parte más pequeña e indivisible de la materia (una partícula sería la parte más pequeña de la materia que se puede obtener por procedimientos físicos)
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Estructura de la materia: Generalidades (2)
Cuando se inició el conocimiento de las reacciones químicas, se observó que la materia podía transformarse, que unas sustancias podían convertirse en otras. Así se llegó al concepto de “elementos puros” y “elementos compuestos”.Los primeros no podían transformarse en otros, por procedimientos químicos, mientras que los segundos sí se podían transformar.
Finalmente, también se introdujeron los conceptos de “sustancias puras” y “mezclas”. Las primeras están formadas por elementos, puros o compuestos, mientras que las segundas están formadas por dos o más sustancias que pueden separarse por procedimientos físicos. Estas mezclas pueden ser homogéneas, en la que no se distinguen sus componentes ni siquiera al microscopio, como las disoluciones, por ejemplo el agua salada; y heterogéneas, en las que sus componentes diferentes se observan a simple vista (como el mortero de cemento, por ejemplo)
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El átomo (1)
La primera idea “moderna” de átomo fue formulada por J. Dalton (químico inglés, 1766-1844) a partir de los estudios sobre reacciones químicas. El átomo se definía, en la práctica, como lo hicieron los griegos en la filosofía: como “partícula material indivisible”.
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El átomo (3)
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El átomo (4)
De acuerdo con esta experiencia, Thomson propuso en 1898 un modelo de átomo compuesto por un conjunto de electrones incrustados en una masa esférica, cargada positivamente, y de naturaleza desconocida.
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El átomo (5)
En 1886, el físico alemán E. Goldstein (1850-1931) profundizó los estudios en los tubos de descarga. Al emplear un cátodo perforado observó otra radiación de partículas con carga positiva que aparentaba provenir de los canales abiertos en el cátodo, por los que los llamó “rayos canales”.
Observó que se desviaban hacia la placa negativa de un campo eléctrico aplicado y que la relación entre la carga y la masa diferida de un gas a otro. Posteriormente, se comprobó que la carga eléctrica de esta partícula era igual a la del electrón, y pasó a denominarse “protón”.
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El átomo (6)
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El átomo (7)
En el año 1919, el físico neocelandés E. Rutherford (1871-19379) realizó una serie de experimentos bombardeando con partículas (procedentes de un material radioactivo, por ese entonces recientemente descubiertos) una lámina de oro.
Como resultado de sus experimentos formuló su “modelo nuclear del átomo”, formado por un núcleo, donde se alojan los protones y la casi totalidad de la masa, y una corteza, formada por los electrones que giran alrededor del núcleo (como si se tratara de un sistema solar en miniatura).
Dado que los átomos son eléctricamente neutros, dedujo que el número de protones y de electrones tenía que ser el mismo.
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El átomo (8)
En 1930, los físicos Bothe y Becker observaron una nueva radiación, muy penetrante, al someter una muestra de berilio a un bombardeo con partículas .
En 1932, J. Chadwick confirmó la neutralidad eléctrica de las mismas (no eran desviadas por el campo eléctrico), y las denominó “neutrones”.
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El átomo (9)
Átomo de Rutherford
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El átomo (10)
Por medio de los “espectrógrafos de masas” se determinaron las masas de los diferentes componentes del átomo:
Masa del electrón: 9,109534·10-31 Kg
Masa del protón: 1,672649·10-27 Kg
Masa del neutrón: 1,674954·10-27 Kg
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El átomo (11)
Espectrógrafo de masasConsiste esencialmente en un potente campo magnético perpendicular a la trayectoria de las partículas. La fuerza que actúa sobre ellas las desvían más o menos de su trayectoria, y esta desviación es proporcional a su masa
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El átomo (12)
Estudios posteriores revelaron una nueva peculiaridad: habían átomos con las mismas propiedades químicas pero con diferente masa. A estos los llamaron “isótopos”.
De acuerdo con todo lo conocido hasta ese momento, el átomo estaba definido por dos características: su “número atómico”, o número de protones presentes en el núcleo (Z), y su “número masivo”, determinado por la suma de protones y neutrones de su núcleo (A)
(El número de electrones no es definitorio de un átomo; este puede perder o ganar un electrón, por ejemplo, convirtiéndose en un ión, pero conserva todas sus propiedades químicas)
De acuerdo con esta nomenclatura, un átomo cualquiera X se representa en su composición interna, por: XΑ
Ζ
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El átomo (13)
A mediados del siglo XIX los científicos inventaron un nuevo aparato, al que llamaron “espectrógrafo de emisión”.
Consistía fundamentalmente en excitar el átomo, suministrándole energía (térmica o de otro tipo) y luego estudiar el espectro de esa radiación emitida (su luz, visible, o no) cuando volvía a su situación originaria.
Así se obtendría lo que llamaron “espectro de emisión” de cada elemento.
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El átomo (14)
Espectro de emisión de un elemento
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El átomo (15)
El espectro de la luz solar es continuo, es decir, contienen todas las frecuencias, mientras que los espectros de los elementos son discretos, es decir, contienen radiaciones en frecuencias determinadas (que siempre son las mismas, constituyendo las auténticas “huellas dactilares” de los elementos)
Esta situación no concordaba en el modelo atómico de Rutherford, pues según él, el espectro de emisión del electrón (o electrones) excitado debería ser continuo (al retornar a su posición originaria de forma continua, siguiendo una trayectoria en espiral)
Además, para mantener la órbita circular el electrón debería recibir energía de forma continua, pues se trata de un movimiento acelerado (aceleración centrípeta)
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El átomo (16)
Para salvar las inconsistencias del modelo atómico de Rutherford, el físico danés Niel Bohr (1885-1962) formuló en 1913 una nueva teoría sobre la estructura del átomo, en la que suponía que la energía del electrón dentro del átomo está cuantizada, es decir, que los electrones sólo pueden encontrarse en determinados niveles alrededor del núcleo (niveles permitidos de energía, a los que denominó con los números naturales 1,2,3,…..)
En esos niveles, el momento angular (producto de la masa por la velocidad y por el radio de la órbita del electrón) es un múltiplo entero de la constante de Planck h.
Según este modelo, sólo se emite o absorbe energía cuando el electrón pasa de un nivel permitido a otro (de esta forma justificaba que el espectro de emisión fuese discontinuo)
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El átomo (17)
Niveles energéticos de los electrones del átomo de hidrógeno
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El átomo (18)
El modelo de Borh también presenta serios inconvenientes pues no explicaba el porqué la energía en las órbitas estaba cuantizada y porque tampoco encajaba con los nuevos resultados experimentales obtenidos con espectrógrafos más potentes, en los que se observó que algunas líneas del espectro eran dos en realidad, o que el espectro de emisión obtenido cuando la sustancia se sometía simultáneamente a un campo magnético, algunas líneas se desdoblaban en varias.
Para salvar estos inconvenientes, Heisemberg y Schorödinger propusieron un nuevo modelo, al que se denominó mecánico-cuántico.
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El átomo (19)
Modelo mecánico – cuántico de Heisemberg y Schorödinger:
Según este modelo, el electrón en movimiento tiene asociada una onda (el movimiento del electrón es de carácter ondulatorio) y por otro lado es imposible predecir con exactitud las trayectorias exactas de los electrones y ni mucho menos su posición.
Se introduce así el concepto de “orbital”, que son unas superficies imaginarias dentro de las cuales la posibilidad de que se encuentran el electrón es máxima.
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El átomo (20)
Modelo mecánico – cuántico del átomo
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El átomo (21)
Los “números cuánticos” , que describen con más exactitud la distribución de los electrones en los átomos, de acuerdo con los resultados experimentales, son cuatro:
1. El número cuántico principal, n, designa el nivel de energía (diámetro del orbital). Se denominan por los números 1,2,3,…..
2. El número cuántico del momento angular orbital, l, que determina la forma de la órbita y la energía dentro de cada nivel. Se designan por las letras s,p,d y f.
3. El número cuántico magnético, ml, que refleja la posición del orbital en el espacio y explica el desdoblamiento de las líneas espectrales al aplicar un campo magnético externo.
4. El número cuántico magnético del spin del electrón, ms, determina si el electrón se alinea de forma paralela o antiparalela a un campo magnético externo.
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El átomo (22)
El ordenamiento de los electrones en los diferentes niveles y orbitales se rigen por dos reglas:
El “Principio de exclusión de Pauli”, que supone que dos electrones de un mismo átomo no puede tener los cuatro números cuánticos iguales. Además, los orbitales se llenan según sus energías relativas, empezando por la de menor energía.
La “Regla de Hund” que señala que dos orbitales con los mismos números cuánticos n y l tienen la misma energía.
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El átomo (23)
Tamaño de un átomo de hidrógeno
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El átomo (24)
Ni el modelo atómico de Bohr, ni el mecánico-cuántico, explican qué ocurre en el núcleo de los átomos, cómo están estos constituidos.
Con estos modelos, el núcleo no podría mantenerse estable, pues los neutrones se repelarían (al tener la misma carga eléctrica), y las atracciones gravitatorias entre neutrones y protones serían despreciables (dada la pequeñez de sus masas y las cortas distancias entre ellos)
La realidad obliga a aceptar la presencia de fuerzas entre los nucleones (nombre genérico que se les da a todos los componentes del núcleo) mucho mayores que las electroestáticas y las gravitatorias, a las que se conoce con el nombre de “interacción fuerte”.
Su naturaleza es desconocida, pero presentan dos características que han sido observadas:
Son fuerzas independientes de la carga (no distinguen entre protones y neutrones)
Son fuerzas de corto alcance (del orden de 2·10-15m)
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El átomo (25)
Para explicar la naturaleza de las fuerzas nucleares, H. Yukawa, en 1935, propuso que el protón y el neutrón no son partículas distintas, sino que una se transforma en la otra intercambiando una tercera partícula, a la que se denominó “mesón” (su carga eléctrica, positiva o negativa es igual a la del protón, y su masa entre 200 y 300 veces la del electrón)
En el proceso de intercambio, cuando un protón emite un mesón pierde su carga eléctrica y se convierte en un neutrón. El neutrón, al emitir un mesón se convierte en un protón; a su vez, el protón acepta un mesón negativo y se convierte en un neutrón y así sucesivamente.
(Gráficamente puede imaginarse la “unión” entre dos personas, cuyo vínculo consiste en lanzarse mutuamente una pelota, a una cierta distancia. Para un observador exterior que no vea la pelota, existe “algo” que los mantiene en sus posiciones, unidos)
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El átomo (26)
En 1937, Anderson y Neddermeyer descubrieron en los rayos cósmicos una partícula que parecía tener la masa que predecía Yukama. Sin embargo, esa partícula interaccionada muy débilmente con los nucleones.
Sin embargo, en 1945, el físico británico C.F.Powell, analizando cuidadosamente los rayos cósmicos a gran altura (montañas y globos) encontraron un nuevo mesón de mayor masa, que interaccionaba fuertemente con los núcleos atómicos que se encontraban en su trayectoria, desintegrándose fácilmente.
El mesón pesado se denominó “mesón pi” o “pión”, y era la partícula que Yukawa había previsto.
Estos piones se producen en las altas capas de la atmósfera por la acción de los rayos cósmicos y se desintegran en los mesones más ligeros detectados por Anderson y Neddermeyer. Se les denominó a estos mesones ligeros “mesones mu”, o “muones”.
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El átomo (28)
Como ocurre con los electrones, cuando se excita un núcleo atómico por colisión de alguna partícula, por absorción de radiación o por alguna otra causa, algún nucleón cambia su estado, del natural de mínima energía a otro de mayor energía (excitado)
• Cuando cese la excitación, el nucleón regresa a su nivel inicial, dando lugar al correspondiente espectro. El estudio de estos espectros indica que los nucleones también se encuentran ocupando diferentes niveles de energía (aún cuando la energía correspondiente a cada nivel es millones de veces mayor que en el caso de los electrones)
• En la actualidad, se conocen más de mil núclidos diferentes, de los cuales 284 son estables. Estos últimos pertenecen a 83 elementos, desde el hidrógeno al bismuto.
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Radiación nuclear
• En 1986, Henri Becquerel descubrió que el mineral de uranio emitía una radiación similar a los rayos X.
• Del estudio de estas radiaciones se llegó a determinar la existencia de tres tipos diferentes, a los que se llamó rayos (alfa), rayos β (beta) y rayos γ (gamma).
• Cuando se estudió el comportamiento de estos rayos bajo la acción de campos eléctricos y magnéticos se comprobó que los rayos β eran similares a los catódicos, y por tanto, electrones (partículas, no rayos), mientras que los se identificaron con núcleos de átomos de helio (ambos eran desviados por campos eléctricos en direcciones opuestas)
• Los rayos γ no eran desviados, y además eran muy penetrantes, pues podían traspasar gruesas láminas de metal. En 1914 se demostró que los rayos γ eran una auténtica radiación, similar a los rayos X, y se midió su longitud de onda.
• En la actualidad, las denominaciones correctas son partículas y β y rayos γ.
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El átomo (29)
La emisión de partículas y β implican la transformación del núclido original en otros diferentes, pudiendo quedar este en estado excitado.
El proceso por el cual el núclido excitado pasa a su estado fundamental de menor energía constituye la radiación γ.
(Como siempre, la energía de esta radiación depende de su frecuencia (γ) y vale:
E= ·h (h= constante de Planck)
Los materiales radioactivos naturales sufren una cadena de desintegraciones sucesivas, cuyo resultado final siempre es algún isótopo del plomo.
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El átomo (30)
• La identificación de las partículas β con electrones suponía una serie de contradicciones, pues no se conocía la existencia de electrones en el núcleo de los átomos.
• Esta contradicción se salvó admitiendo que en el proceso de emisión de partículas β, un neutrón se desintegra en un protón y un electrón, siendo ésta la partícula β emitida. En este caso, todos los electrones deberían tener la misma energía, lo cual no es cierto, puesto que el espectro de emisión de partículas β es continuo.
• Para salvar este problema, Pauli sugirió la presencia de otra partícula, a la que llamó “neutrino”, sin carga eléctrica y con una masa muy pequeña y con capacidad para transportar energía (así, la energía total de la emisión β se distribuiría entre el electrón y el neutrino, en diferentes proporciones)En el año 1956 pudo demostrarse experimentalmente la existencia de esta partícula.
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El átomo (31)
El último paso en el conocimiento de la estructura de los núcleos atómicos viene de la mano de la radioactividad artificial (rotura de los núcleos provocada por el bombardeo de los mismos con partículas , neutrones u otras formas.
Como resultado de estos ensayos, en 1933 los esposos Joliot-Courie, al bombardear átomos ligeros (boro, magnesio y aluminio) con partículas observaron que se producían protones y neutrones, además de otra partícula de la misma masa del electrón y cuya carga es igual a la de este pero de sentido contrario, o la que llamaron “positrón”.
Además, comprobaron que los elementos utilizados como blanco seguían emitiendo positrones después de cesar el bombardeo con partículas . Es decir, se comportaban como sustancias radiactivas.
Se había descubierto la radiactividad artificial.
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Naturaleza ondulatoria de la materia
• En 1926, Davisson y Garmer, y posteriormente G.P.Thonson consiguieron experimentalmente, y por métodos distintos, difractar un haz de electrones, y demostrar así su naturaleza ondulatoria.
Experiencias posteriores han demostrado que también los protones, los neutrones y todas las partículas subatómicas presentan este comportamiento ondulatorio.
De acuerdo con estos experimentos la materia, al igual que la luz, presenta un doble aspecto:
uno ondulatorio, caracterizado por una longitud de onda y una frecuencia ,
y otro corpuscular, caracterizado por su energía E: h· y su cantidad de movimiento p= h/.
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El átomo (33)
En resumen, del átomo sólo se conocen algunos de sus componentes (pues presumiblemente aún quedan otros por descubrir), su estructura (hasta cierto punto) y la “descripción” de las interacciones (fuerzas, en algunos casos) que los mantienen unidos.
A pesar de los potentes medios tecnológicos disponibles, la naturaleza del átomo sigue presentando grandes incógnitas, lo cual supone en continuo reto para científicos y tecnólogos.
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Unión entre átomos (1)
TIPOS DE ENLACES Y VALENCIA
Todas las sustancias puras, sean elementos o compuestos, están formadas por agrupaciones de átomos, unidos entre sí por diversos tipos de “enlaces”: iónico, covalente y metálico.
La capacidad que tiene un átomo para unirse a otro (u otros) se denomina “valencia”. Ésta es el número de electrones que es capaz de ganar (electrovalencia negativa) o compartir (electrovalencia positiva) con el fin de alcanzar (el conjunto) una estructura estable (la última capa de electrones completa)
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Unión entre átomos (2)
ENLACE IÓNICO
El enlace iónico se da entre átomos que tienen facilidad para ganar o perder un electrón de su última capa, convirtiéndose así en iones negativos o iones positivos, respectivamente (átomos que les falta un electrón para completar la última capa, o que sólo tienen un electrón en ella)
Los iones formados, al tener carga eléctrica diferente, se atraen electrostáticamente (fuerza de Coulomb) y así quedan unidos, enlazados.
Como cada ión crea un campo eléctrico a su alrededor tiende a rodearse de iones de signo contrario, por lo que no se forma una sola molécula, sino una red (red cristalina). Las fuerzas de enlace electroestáticas son relativamente altas, por lo que estos compuestos, además de ser sólidos, tienen una gran dureza. Existen relativamente pocas sustancias que presentan este tipo de enlace.
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Unión entre átomos (3)
Enlace iónico del cloruro sódico
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Unión entre átomos (4)
ENLACE COVALENTE (1)
El enlace covalente consiste en la compartición de electrones de la última capa, de dos átomos, para conseguir en ambos una configuración estable.Cada par de electrones comunes define un enlace. Los átomos están muy próximos entre sí (más que en el caso del enlace iónico) y las fuerzas de enlace son más intensas.
Como resultado de estos enlaces se forman “moléculas independientes” (y no redes, como era el caso del enlace iónico)
La unión entre estas moléculas independientes se establece por interacciones moleculares de tipo cohesivo (fuerzas de Van der Waals) y son muy débiles, o no existen en la práctica.Este enlace es el que presentan las sustancias líquidas y gaseosas a temperatura ambiente (algunos son sólidos, pero con un punto de fusión muy bajo)
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Unión entre átomos (5)
ENLACE COVALENTE (2)
• Cuando los dos átomos que se unen son iguales la distribución de cargas eléctricas es simétrica, el enlace se llama homopolar, y la molécula resultante es eléctricamente neutra.
• Sin embargo, si la distribución de cargas no es simétrica, la molécula resultante es bipolar (dipolo), en la cual los centros de la cargas positivas y negativas están desplazados
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Unión entre átomos (6)
Enlace homopolar
Enlace bipolar
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Unión entre átomos (7)
ENLACE METÁLICO
El enlace metálico se caracteriza porque los átomos se agrupan formando redes cristalinas compactas (de tipo hexagonal, cúbica centrada en las caras y cúbica centrada en el centro), con los nudos ocupados por los átomos del metal.
Todos los átomos están ionizados positivamente (cationes), pues cada uno de ellos ha cedido uno o varios de sus electrones de valencia. Estos electrones cedidos son comunes a todos los átomos, comportándose como una “nube” o “gas” que los envuelve.
La red cristalina mantiene su estabilidad por medio de las acciones mutuas entre los iones metálicos y la “nube electrónica”.(Esto explica la gran movilidad de los electrones en los metales y consecuentemente, su alta conductividad eléctrica)
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Unión entre átomos (8)
Movimiento molecular
Cualquiera que sea el tipo de enlace, los átomos (y las moléculas) no permanecen fijos en sus posiciones, sino que oscilan más o menos fuertemente alrededor de su posición de equilibrio.
Estas oscilaciones se incrementan si a la sustancia se le comunica energía desde el exterior (por ejemplo, térmica, calentándola)
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La materia a nivel macroscópico (1)
• A nivel macroscópico, la materia puede presentarse en tres estados de agregación (en condiciones normales, no excitada): sólido, líquido y gaseoso.
• La materia en estado sólido se caracteriza por tener una forma y un volumen propios, como resultado de las fuertes uniones entre sus moléculas (como se vio en el punto anterior, están formados por enlaces de tipo iónico, metálico y otros)
• Los sólidos (a diferencia de los líquidos y los gases) poseen propiedades “direccionales”, “estructurales”. Así, pueden ser cristalinos (las moléculas que lo componen están ordenadas según ciertos direcciones espaciales regulares) y amorfos, no cristalinos.
• Los primeros son anisótropos, de manera que propiedades como la dureza, elasticidad, conductividad eléctrica, etc., dependen de la dirección, mientras que los segundos son isótropos, con idénticas propiedades en todas direcciones.
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La materia a nivel macroscópico (2)
• La materia en estado líquido se caracteriza por poseer un volumen definido, pero no una forma definida (adopta la forma del recipiente donde se encuentra dos líquidos son perfectamente elásticos y extremadamente incomprensibles)
Las moléculas de un líquido, formadas por enlaces covalentes, se encuentran sometidos a débiles fuerzas de atracción entre ellas (atracción electroestática débil entre las moléculas bipolares, o pequeñas deformaciones instantáneas acaecidas en las moléculas no polarizadas, que las polarizan momentáneamente), dando lugar a una resistencia a la tracción (muy débil) y a la cizalladura (viscosidad)
También existe fuerza de atracción entre los líquidos y el medio circundante, dando lugar a los fenómenos de tensión superficial (atracción entre el líquido, el aire y las paredes del recipiente) y a la difusión (tendencia a esparcirse uniformemente por el sólido soporte)
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La materia a nivel macroscópico (3)
• La materia en estado gaseoso se caracteriza por carecer de forma y de volumen (adopta la forma del recipiente que lo encierra y lo ocupa en su totalidad)
• Los gases son perfectamente elásticos y extremadamente comprensibles.
• Las moléculas que componen los gases, con enlaces covalentes, se encuentran sometidos a fuerzas de atracción muy débiles, o inexistentes. Las únicas interacciones son los choques entre sí
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La materia a nivel macroscópico (3)
• La materia en estado gaseoso se caracteriza por carecer de forma y de volumen (adopta la forma del recipiente que lo encierra y lo ocupa en su totalidad)
• Los gases son perfectamente elásticos y extremadamente comprensibles.
• Las moléculas que componen los gases, con enlaces covalentes, se encuentran sometidos a fuerzas de atracción muy débiles, o inexistentes. Las únicas interacciones son los choques entre sí
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La materia a nivel macroscópico (4)
• Las moléculas de los gases se encuentran en continuo movimiento, describiendo trayectorias rectilíneas (pero en direcciones aleatorias) hasta que chocan elásticamente entre ellas, o contra las paredes del recipiente que las contiene. Precisamente a este choque contra las paredes se las denomina “presión del gas”. Depende, del número de choques por unidad de tiempo (número relacionado con el número de moléculas presentes en el recipiente) y de la velocidad de tales moléculas (su energía cinética)
• Este comportamiento de los gases explica la Ley de Boyle-Mariot, según la cual la presión del gas aumenta a medida que el volumen encerrado disminuye (suponiendo que no hay modificación de la temperatura). En efecto, al disminuir la distancia entre las paredes, y mantener las moléculas su velocidad, las distancias recorridas por estas son muy cortas, con lo cual el número de impactos (por unidad de tiempo) contra la pared se incrementa.
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La materia a nivel macroscópico (5)
Aumento de la presión de un gas al disminuir el volumen
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Escala de magnitudes de la materia (1)
A un nivel medio más general, la materia se “agrupa” en “cuerpos celestes”, desde planetas, satélites, estrellas, sistemas solares, galaxias y sistemas de galaxias, sin olvidar la “materia difusa”, o “materia oscura” existente en el universo.
De esta forma queda íntimamente ligado lo “infinitamente pequeño” con lo “infinitamente grande”.
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Escala de magnitudes de la materia (2)
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Energía en los átomos (1)
En los átomos, la energía “está contenida” en los electrones y en el núcleo.
En el caso de los electrones, su energía está cuantizada, de acuerdo a los diferentes niveles en que cada uno se encuentra situado. Cuando al átomo se le comunica energía externa (por ejemplo, calentándolo en un tubo de descarga) sus electrones son excitados, e incrementan sus niveles de energía (el diámetro de sus órbitas). Cuando cesa la energía exterior, los electrones regresan a sus posiciones originales, emitiendo en forma de radiación electromagnética (luz visible o no) la energía recibida. El espectro de emisión, no continuo, es típico de cada átomo.
La energía cedida (igual a la absorbida) viene dada por la expresión:E=h·
Siendo h la constante de Planck 6,625·10-34 J·S y la frecuencia de la onda de emisión.
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Energía en los átomos (2)
El mecanismo de excitación puede ser variado, incluyendo una radiación electromagnética, como se comprueba en el efecto fotoeléctrico.
En este caso, al incidir la radiación electromagnética sobre una superficie metálica se desprenden electrones. Ello es debido a que la radiación electromagnética también está formada por “cuantos de energía”, que son los fotones.
Los fotones, de energía E=h· impactan sobre los electrones del átomo, le ceden su energía y los excita hasta el punto que escapan del metal a gran velocidad (la energía del fotón se emplea en “sacarlo” del metal e incrementar su energía cinética)
Igualmente ocurre en el caso de elementos no metálicos, que al ser excitados (suministrándole energía externa por cualquier procedimiento) pierden su electrón y se convierte en un ión positivo. La energía necesaria para que esto ocurra se denomina “energía de ionización”.
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Energía en los átomos (3)
La energía encerrada en los núcleos de los átomos es mucho mayor que la contenida en sus electrones, como se demuestra el hecho de que se necesita suministrar ingentes cantidades de energía para excitar (para romper) los núclidos.
La energía correspondiente a ese “defecto de masa” es la que se precisa para separar los neuclones (romper el núcleo), y vienen dada por:
E=m·c2
(c= a la velocidad de la luz)
Se denomina “energía de empaquetamiento” o “energía de enlace”, y es enorme.
Para el nucleón del Níquel, por ejemplo esta energía vale 8,489·1014 J/kg.
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Energía en los átomos (4)
Al igual que ocurre con los electrones, los núcleos también cambian sus niveles de energía cuando son excitados (por potentes colisiones, radiaciones electromagnéticas u otros mecanismos). Cuando cesa la excitación regresan a sus posiciones de partida y devuelven la energía recibida mediante radiaciones electromagnéticas con sus correspondientes espectros.
Pero la absorción (y correspondiente emisión) de energía por los núcleos presenta características muy particulares en algunos elementos, los denominados radiactivos.
En ellos, la radiación emitida después de una excitación está compuesta no sólo por radiación electromagnética (onda fotón), sino también por partículas (núcleos de helio) y β (electrones).
El resultado es que después de la emisión de las partículas y β el elemento cambia de naturaleza, se “desintegra”, se “transmuta” en un átomo diferente.
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Energía en los átomos (5)
La diferencia entre la energía contenida en el núcleo inicial y en el nuevo equivale a la contenida en las partículas y β emitidas (energía de escape más cinética) y radiación electromagnética γ (correspondiente a su particular longitud de onda)
En algunos casos (con algunos materiales como el uranio), esta transmutación es mucho más profunda y violenta, la denominada “fisión nuclear”.
Cuando un núcleo de uranio , por ejemplo, es impactado por un neutrón lento, el átomo del uranio se rompe en dos mitades, cada uno de los cuales conforma el núcleo de un átomo de Kriptón. En la ruptura se liberan 3 neutrones y se desprende una gran cantidad de energía (en forma de partículas y β fuertemente aceleradas y radiación γ)
MATERIA Y ENERGÍA
Energía en cristales y moléculas
La formación de un enlace entre dos átomos es un proceso que implica una variación de la energía “contenida” en los átomos originarios. Si la energía de la sustancia resultante es menor que la de los originales, el enlace implica una emisión de energía y en caso contrario se necesitaría suministrar energía externa para que el enlace tenga lugar.
Esa diferencia de energía (positiva o negativa) constituye la “energía de enlace”. En el caso de enlaces iónicos (con la formación de redes cristalinas) la “energía de red” es la diferencia de energía entre la de los átomos originales y la de la red cristalina resultante. En estos casos, cuanto menor es la energía de red, más estable es el componente iónico.
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Energía en la materia a nivel macroscópico (1)
En la medida que la materia, a nivel macroscópico (incluyendo en este concepto los planetas, estrellas y galaxias), está compuesta por moléculas, y éstas a su vez por átomos, todos los conceptos analizados hasta aquí son aplicables a la materia en sus diferentes estados de agregación.
Sin embargo, a escala macroscópica, o mejor, a escala de uso, la energía se “manifiesta” de cinco modos diferentes:
Gravitacional Cinética Electrostática Electromagnética Nuclear
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Energía en la materia a nivel macroscópico (2)
Energía Gravitacional
Es la energía que se manifiesta por la atracción de dos masas entre sí, sean dos cuerpos celestes (la Tierra y la Luna, por ejemplo), sean dos masas cualquiera.
La causa de esta atracción es aún un misterio. La realidad es que cada masa crea a su alrededor
un “campo gravitatorio”, que atrae a cualquier otra masa que caiga en su campo de acción.
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Energía en la materia a nivel macroscópico (3)
Energía gravitacional
Un caso particular es la “energía potencial gravitatoria”, o sea, la atracción de la masa Tierra sobre cualquier otra masa en su cercanía (un satélite artificial) o en su superficie (en el caso de una persona, esta fuerza es el peso de la misma)
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Energía en la materia a nivel macroscópico (4)
Energía cinética (1)
Es la energía implícita en una masa en movimiento.Para una masa m, que se desplaza a la velocidad v, la energía cinética vale la mitad del producto de la masa por el cuadrado de la velocidad.
W = ½m V2
W viene en Julios, la masa en Kg y la velocidad en m/s.
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Energía en la materia a nivel macroscópico (5)
Energía cinética (2)
Un caso particular de la energía cinética en la energía calorífica o energía térmica.
En la forma gaseosa, las moléculas tienen total libertad para moverse. Cuando se les suministra energía se mueven más rápido (incrementan su energía cinética) y el gas se dice que está más caliente (que tiene más temperatura)
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Energía en la materia a nivel macroscópico (6)
Energía cinética (3) En el caso de líquidos ocurre algo parecido al gas, aún
cuando la movilidad de las moléculas por todo el volumen está más limitado.
En el caso de sólidos, la aportación de energía cinética (calorífica) desde el exterior excita las moléculas, que se ponen a vibrar más o menos intensamente alrededor de la posición de equilibrio en la estructura original.
(La sensación de calor que se tiene cuando el aire está caliente se debe al choque de las moléculas de aire agitadas con las de la piel, las cuales también incrementan su energía cinética –oscilando más o menos intensamente alrededor de sus posiciones de equilibrio, puesto que la piel es sólida- produciéndose un aumento de la temperatura de la superficie corporal, dando lugar a la sensación de calor)
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Energía en la materia a nivel macroscópico (7)
Energía electroestática (1)• Es la energía que se manifiesta por la atracción (o
repulsión) de dos cargas eléctricas entre sí. (Si son de diferente signo se atraen y son del mismo signo se repelen)
• La causa de esta fuerza es también un misterio. La realidad es que un cuerpo cargado positivamente (o negativamente) crea a su alrededor un “campo eléctrico” que atrae (o repele) a cualquier otra carga eléctrica que se encuentre en su radio de acción.
• Experimentalmente se ha comprobado que esta fuerza es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia.
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Energía en la materia a nivel macroscópico (8)
Energía electroestática (2)
• La energía química, entendida como la que mantiene unidos entre sí a los átomos que conforman una molécula, o a varias moléculas entre sí formando cuerpos) no es más que una forma particular de la energía electroestática.
• Cuando un combustible es quemado (reacciona con el oxígeno), la energía química de sus componentes se transfiere a energía química de otros componentes distintos (nueva distribución de las cargas eléctricas), y además, a estos se les imprime fuertes movimientos vibratorios (aumento de la temperatura) si la reacción es exotérmica.
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Energía en la materia a nivel macroscópico (9)
Energía electromagnética (1)
• Es la energía asociada a una carga eléctrica en movimiento.
• Su origen es otro misterio, pero la realidad es que una carga eléctrica en movimiento (o un conjunto de estas formando una corriente eléctrica, por ejemplo), crean a su alrededor un campo “electromagnético”, que actúa no sólo sobre cargas eléctricas, sino también sobre imanes (cuerpos magnetizados)
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Energía en la materia a nivel macroscópico (10)
Energía electromagnética (2)Los campos magnéticos tienen naturaleza ondulatoria
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Energía en la materia a nivel macroscópico (11)
Energía nuclear o atómica
•Es la energía almacenada en los núcleos de los átomos, en el momento de su formación.
•Son los que mantienen unidos los protones y los neutrones (fuerzas nucleares fuertes y débiles), y también constituye otro misterio su existencia.
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Termonología energética (1)
Aún cuando las formas, las manifestaciones últimas de la energía en el universo, son las cinco mencionadas, en la práctica del lenguaje cotidiano (producto de la evolución del conocimiento y el uso de la energía), la energía recibe multitud de nombres, entre los que destacan: energía potencial, energía calorífica, energía mecánica, energía eléctrica, etc.
Algunos de estos términos pueden considerarse correctos, desde el punto de vista de reflejar una auténtica “fuente de energía”, pero otros no lo son, debiendo considerarse más bien como un “estado intermedio” de la energía, o mejor, una forma en que esta es transmitida desde un punto a otro; lo que se conoce “vector energético”.
En este contexto merecen una explicación adicional las que se conocen como energía “calorífica” y energía “eléctrica”.
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Termonología energética (2)
Energía eléctrica: La energía eléctrica no es más que el flujo de electrones
en el seno de un conductor. El origen del movimiento de los electrones puede ser un
“generador eléctrico” (accionado por una fuente de energía externa), una pila eléctrica (a partir de una reacción química), una fuente de calor (termopar), etc.
A su vez, la energía transportada por tal corriente de electrones se transforma en otros tipos de energía, como puede ser electromagnética (iluminación), térmica (calefacción), mecánica (mover un motor eléctrico), etc.
En definitiva, la electricidad no es energía en sí misma, sino un medio para transportar la energía.
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Termonología energética (3)
Energía calorífica: En cuanto a la “energía calorífica”, esta no es tal, sino
mas bien el “flujo” de energía térmica (cinética) de un cuerpo a una cierta temperatura, a otro cuerpo a temperatura mas baja. (Así como “lluvia” es el agua que cae de la nube sobre la tierra, y a nadie se le ocurre decir que un pantano tiene “ x m3 de lluvia”, el calor, que es el flujo de energía térmica, no puede conducir a decir que un cuerpo “contiene calor”)
Debe quedar claro que la diversidad de nombres no quiere decir que exista diversidad de energías.
Se trata de diversas “manifestaciones” del mismo “poder”; del mismo concepto.
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Definición de energía
Por lo visto hasta ahora, en todos los procesos que suponen cambios en la materia (sea a nivel nuclear, atómico, molecular o macroscópico) está involucrada la energía, unas veces absorbiéndola (quedando “atrapada” dentro de la materia, que alcanza así un nuevo estado) y otras cediéndola al “exterior” (obviamente, a otra materia, como puede ser las moléculas del aire circundante), quedando la materia con un nivel energético más bajo.
Todo esto conduce a definir la energía como la “capacidad” que tiene un cuerpo o sistema para producir transformaciones, modificando su estado o su situación, o el estado o situación de otros sistemas con los cuales interactúa.
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Transformaciones en la materia y en la energía (1)
GENERALIDADES: Se ha visto que la energía es la capacidad que tiene la materia
para realizar transformaciones, bien dentro de un mismo cuerpo, bien entre varios.
Estas transformaciones de la materia pueden ocurrir a nivel atómico (tanto en su núcleo como en los electrones que le rodean), a nivel molecular (mediante lo que se conoce como reacciones químicas) o a nivel de estado de agregación (que implica sólo cambios físicos)
Transformaciones de la materia
Nivel Denominación Resultado
Atómico TransmutaciónIonización
Nuevo átomoÁtomo ionizado
Molecular Reacción química Nueva sustancia
Macroscópico Cambio de estado de agregación
Nuevo estado de la misma sustancia
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Transformaciones en la materia y en la energía (2)
Conservación de la masa y de la energía:
Todas estas transformaciones de la materia van acompañadas de transformaciones de la energía, incluyendo los pasos de esta de unos cuerpos a otros.
Sin embargo, tanto la materia (masa), como la energía, se conservan en todos los procesos, de manera que puede afirmarse:
“En toda transformación de la materia de tipo químico (reacción química) o físico (cambios de estado), la masa total se conserva (en una reacción química, la masa total de los reactivos es igual a la masa total de los productos”)
“La energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma”(Primer principio de la termodinámica)
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Transformaciones en la materia y en la energía (3)
Transformaciones en las reacciones químicas:
En las reacciones químicas, sustancias iniciales (denominadas genéricamente “reactivos”) se transforman en otra u otras finales (denominadas también genéricamente “productos”)
En paralelo a las transformaciones de la materia también se producen transformaciones energéticas, de manera que la diferencia de las energías asociadas a los productos y a los reactivos se intercambian con el medio en forma de energía térmica, energía electromagnética (luz visible o no), energía eléctrica (pila eléctrica), etc.
La forma más usual de intercambio de energía entre los reactivos, los productos y el medio es de tipo térmico. En este contexto, las reacciones son “exotérmicas” o “endotérmicas”. En las primeras, la energía de los reactivos es mayor que la de los productos, y el exceso de energía se trasfiere al medio, en forma de calor.
En las reacciones “endotérmicas” ocurre lo contrario, y hay que suministrar energía térmica desde el exterior a los reactivos, para que la reacción tenga lugar.
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Transformaciones en la materia y en la energía (4)
Reacciones de combustión:
Desde el punto de vista del aprovechamiento energético, una de las reacciones más importantes son las denominadas “de combustión”. En ellas, un combustible (butano, propano, alcohol, etc.) se une a un carburante (el oxígeno del aire) para producir anhídrido carbónico (si la combustión es completa) y agua (ésta en forma de vapor)
Por ejemplo, la combustión del butano:
2C4H10+13O2 → 8CO2+10H2O
Estas reacciones son fuertemente exotérmicas, y es precisamente este tipo de energía, la energía térmica, la que se aprovecha para producir un trabajo útil, convirtiéndola en energía mecánica.
La energía térmica transferida al medio no es más que la energía cinética de las partículas del CO2 y el agua, vibrando violentamente.(También se transfiere al medio una pequeña parte de energía en forma electromagnética, en ciertas franjas del espectro, incluyendo luz visible)
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Transformaciones en la materia y en la energía (5)
Transformaciones en los cambios de estado:
Las otras transformaciones de la materia que también son muy usuales se refieren a los cambios en los “estados de agregación”, es decir, los pasos de sólido a líquido, de éste a gas, y viceversa.
Estas transformaciones tienen lugar suministrándole a la sustancia energía térmica desde el exterior, o sustrayéndosela.
En el caso de sólidos (en los cuales sus moléculas, aún vibrando alrededor de sus posiciones de equilibrio, se mantienen formando una estructura cristalina), al suministrar energía térmica (por ejemplo, mediante el impacto sobre sus moléculas de las moléculas de CO2 y del vapor de agua fuertemente aceleradas como resultado de la combustión de un combustible cualquiera), se consigue aumentar tanto la vibración de las moléculas que terminan por romper la estructura cristalina, pasando el sólido al estado líquido.
Si se sigue aumentando el suministro de energía térmica, las oscilaciones de las moléculas del líquido aumentan aún más, venciendo las fuerzas de cohesión entre las mismas, y la sustancia se transforma finalmente en un gas.
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Transformaciones en la materia y en la energía (6)
Cambios de estado
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Conversiones energéticas (1)
Conversiones energéticas en un péndulo (1):
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Conversiones energéticas (2)
Conversiones energéticas en un péndulo (2):
Cuando está en reposo, la masa m se encuentra en el punto más bajo, y su energía potencial gravitatoria es nula. También lo es su energía cinética. Si se suministra a la masa una energía externa, colocándola en la posición más alta, la energía potencial será máxima, y la energía cinética nula. Si ahora se suelta el péndulo (y en el supuesto de que no haya transferencia de energía al medio, como puede ser calentamiento del aire por rozamiento), este descenderá (disminuyendo su energía potencial) y su movimiento se incrementará (aumentando su energía cinética). En el punto más bajo, su energía cinética será máxima y su energía potencial nula. Lo contrario ocurrirá en el tramo de subida. El movimiento de vaivén continuará indefinidamente, y la energía mecánica, suma de su energía cinética y potencial, se mantendrá constante (y será igual a la suministrada).
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Conversiones energéticas (3)
Conversión de energía potencial gravitatoria a energía térmica:
Como es el caso del mecanismo de la figura (formado por un peso, una polea, y un hilo de masa despreciable, unas paletas giratorias y una masa de agua térmicamente aislada (no intercambia energía térmica con el medio circundante)
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Conversiones energéticas (4)
Conversión de energía potencial gravitatoria a energía térmica:
La energía potencial gravitatoria en el extremo superior es U1 y en la parte más baja U2.
Pues bien, cuando la masa cae, disminuye su energía potencial y se incrementa la energía cinética (de la masa que cae y de la paleta que gira)
El giro de las paletas golpea las moléculas de agua, y las excita, haciendo que se incremente su energía térmica (y con ella, su temperatura)
Esta excitación puede ser tan fuerte que parte del agua se convierte en vapor.
Cuando la masa está en la posición U2, su energía potencial será nula, y toda la energía U1 se habrá convertido en energía térmica de la masa de agua (en realidad, energía cinética de sus moléculas)
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Conversiones energéticas (5)
Conversión de la energía térmica a potencial gravitatoria:
La energía térmica contenida en vapor de agua recalentado de un recipiente térmicamente aislado (energía que obviamente se incorporó desde una fuente de energía externa) puede convertirse en energía mecánica, con un mecanismo como el de la figura.
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Conversiones energéticas (6)
Conversión de la energía térmica a potencial gravitatoria:
En este caso, las moléculas del gas, moviéndose rápidamente en todas direcciones en el interior del recipiente, se escapan por la tobera tan pronto se abra la válvula.
Esta moléculas golpean con las paletas haciéndolas girar (en realidad se transfiere la energía cinética de las moléculas del gas a energía cinética de la rueda de paletas). Por medio del hilo y la polea la energía cinética de la polea se transfiere a energía potencial de la masa. Al llegar al punto más alto, toda la energía térmica se ha transformado en energía potencial gravitatoria.
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Reversibilidad de las conversiones energéticas (1)
Generalidades:
En el caso del péndulo anteriormente analizado, y siempre que no hayan transferencias de energía al medio circundante, la energía potencial se intercambia con energía cinética, y esta posteriormente con energía potencial, por tiempo indefinido.
Sin embargo, las transferencias de energía térmica entre dos sustancias, aún cuando estén perfectamente aisladas (no intercambian energía con el exterior), no son “reversibles”, o dicho de otra manera, “tienen dirección única”.(La energía térmica pasa de cuerpos a alta temperatura a otros de menor temperatura, y nunca al revés. Esta situación la explica perfectamente la teoría cinético-molecular de la materia)
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Reversibilidad de las conversiones energéticas (2)
En la figura se observan dos cuerpos idénticos en contacto a través de una pared común, térmicamente aislados en su conjunto.
Si se le suministra energía térmica al 1 (por medio de una resistencia eléctrica actuando mediante un tiempo limitado, por ejemplo), su temperatura se eleva a T1 ºC.
La energía cinética de estas moléculas golpean contra la pared, excitan las moléculas de ésta, que a su vez excitan las moléculas de 2, elevando su temperatura a T2 ºC.
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Reversibilidad de las conversiones energéticas (3)
En este momento se pararía la transferencia de la energía del cuerpo 1 al 2. Obviamente, el proceso contrario no podría llevarse a cabo (pues exigiría que T2 fuese mayor que T1)
El hecho de que sea precisa una cierta diferencia de temperatura para que pase energía térmica (calor) entre dos cuerpos y siempre en la dirección de mayor o menor temperatura, implica que estos procesos de intercambio energético en forma de calor no son reversibles.
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Reversibilidad de las conversiones energéticas (4)
Evidentemente, si los sistemas que acumulan o transfieren energía térmica no están “térmicamente aislados”, o en las conversiones de energía mecánica se incluyen los rozamientos (que implican la transformación de una parte de esa energía a energía térmica), etc., parte de esa energía térmica (o toda) se transfiere al aire circundante, que eleva su temperatura, resultando prácticamente imposible su recuperación.
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Reversibilidad de las conversiones energéticas (5)
Para comprender mejor la complejidad de los procesos asociados a las transferencias de energía puede analizarse la cadena de intercambios energéticos que tienen lugar cuando una persona eleva una masa de 50 Kg a 10 m de altura.
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Reversibilidad de las conversiones energéticas (6)
El cuadro A es igual al B más el B´.
El B es igual a la suma de C más el C’.
Finalmente, el C es igual al D más el D’.
En otras palabras, el cuadro A es igual al D más el B’ el C’ más el D’.
En resumen, la energía procedente del Sol (energía electromagnética) se ha ido transformando en energía de la planta (energía química), energía de la persona (energía química), para terminar como energía potencial (masa de 50kg a 10 m. de altura) y energía térmica (aire calentado)
No se ha “consumido” (o “perdido”) la energía que llega del Sol. Se ha ido transformando en diferentes tipos de energía, “almacenada” en otros “medios”.
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Reversibilidad de las conversiones energéticas (7)
Como corolario de todo lo expuesto puede afirmarse que en la práctica no existe ningún proceso de conversión energética que sea reversible, o lo que es igual, en todo proceso de conversión energética, una parte de la energía no es recuperable.
Este axioma constituye el Segundo Principio de la Termodinámica.
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Conversión energética y eficiencia (1)
Rendimiento de las conversiones energéticas:
Ya se ha visto que los procesos de conversión energética mediante los cuales la energía cambia su naturaleza (química a térmica, por ejemplo) no son reversibles.
La eficiencia (o rendimiento) de un proceso de cambio energético es el cociente entre la energía utilizable (después del cambio) y la energía inicial.
Así, por ejemplo, en un motor eléctrico, el 90% de la energía eléctrica se transforma en energía mecánica, mientras que en un motor de combustión interna, sólo el 20% de la energía del combustible se transforma en energía mecánica. El 80% restante se pierde a la atmósfera en forma de calor (gases de escape y aire calentado)
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Conversión energética y rendimiento (2)
