domingo, 12 de febrero de 2012

Los fenómenos físicos y químicos [Monografía]




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INTERACCIÓN ENTRE MATERIA Y ENERGÍA

La materia que nos rodea está sujeta a cambios constantes. Las plantas y la materia animal se descomponen, los metales se I corroen, el agua se convierte en hielo cuando la temperatura disminuye lo suficiente y vuelve a adquirir la forma líquida cuando se I vuelve a elevar, la erosión cambia b configuración de los suelos y los lagos y mares se evaporan parcialmente. Cuando se estudian I estos cambios se puede ver de Inmediato la posibilidad de clasificarlos en dos tipos de fenómenos: fenómenos químicos y I fenómenos físicos. Los fenómenos químicos son aquellos que producen la desaparición de ciertas sustancias y la formación de otras. Por ejemplo, cuando se queman tiras de magnesio metálico en una bombilla de destello para fotografía, parte del magnesio y porte del oxígeno desaparecen y en su lugar aparece un sólido incombustible en forma de polvo que es óxido de magnesio y que posee un conjunto único de propiedades. Considérese como ejemplo adicional los cambios que ocurren a medida que un tallo de maíz madura. En este proceso, el bióxido de carbono (CO2) y el agua (H20) desaparecen pues se convierten en azúcar de glucosa al crecer la planta. Gran parte de ésta se acumula en la mazorca del maíz y a medida que madura, la glucosa se convierte en almidón. El azúcar de glucosa que se forma tiene su propio conjunto de propiedades que lo Identifican y son completamente diferentes de las I del bióxido de carbono o del agua de los cuales se formó. A su vez, el almidón tiene propiedades diferentes a las de la glucosa. A I los cambios químicos se les llama también reacciones químicas. El segundo tipo de cambio, esto es, el cambio físico, es el que no produce la formación de sustancias nuevas. Por ejemplo, cuando el hielo se funde y forma agua, o cuando la arena se muele I en un polvo fino, no se forma ninguna sustancia nueva. Sin embargo, debe recordarse que en los fenómenos físicos sí cambian algunas I propiedades y ocurren transformaciones energéticas. Cambios de energía. Cualquier cambio, químico o físico, implica energía. I La energía de un cuerpo o de un sistema es b capacidad de dicho cuerpo o sistema para realizar un trabajo. El vuelo de un pájaro, I el rompimiento de la corteza del suelo durante el crecimiento de una planta, la combustión de la madera, el estruendo de un rayo, son I todas acciones en las cuales está Implicada la energía. Existen varios tipos de energía, energía calorífica, energía eléctrica, energía potencial, energía cinética, energía radiante, energía química y energía atómica. Todos estos tipos de I energía pueden transformarse de una forma a otra.

Si la luz emitida por un foco luminoso de luz blanca, tal como el sol o una bombilla eléctrica, pasa a través de una estrecha I rendija que hay en una pantalla opaca se obtiene un haz estrecho de luz. Situando una pantalla a cierta distancia de un prisma, se observa que la luz que incide sobre ella ya no es blanca". En su lugar se observa un espectro brillante de colores: violeta, azul, verde, I amarillo, naranja y rojo. Los cobres son los del arco Iris con el rojo en un extremo y el violeta en el otro. Sonido es todo aquello que se I puede percibir por medio del oído y cuyo estudio se conoce con el nombre de acústica. Se produce y transmite por medio de movimientos vibratorios y de ondas. Experimenta fenómenos como la difracción e interferencia, características de los movimientos ondulatorios. Para que se transmita el sonido es indispensable que se presente algún material sólido, líquido o gaseoso, entre la fuente sonora y el oído. La velocidad del sonido en el aire a 20 °C es de 344 m/seg, que corresponde a 1240 kilómetros por hora.

Un ejemplo del aprovechamiento de los fenómenos químicos consiste en la refinación del petróleo por medio de un proceso I denominado refinación a partir del cual se extraen, por procedimientos complicados de destilación fraccionada, muchos y diversos productos, desde los más ligeros como gasolinas y aceites hasta los asfaltos residuales. Como se ve, el aprovechamiento del conocimiento de cómo actúan los fenómenos físicos y químicos es de gran utilidad para el ser humano.

FENÓMENOS BIOQUÍMICOS

Respiración. En la respiración ocurre un fenómeno de oxidación lenta. El oxígeno atmosférico (02) ingresa al organismo por medio de los pulmones (P) y la sangre (S) vierte bióxido de carbono (CO2) en forma de desecho. Al exhalar se expulsa este último gas y así se completa el ciclo de oxidación del carbono. Digestión. La mayor parte de los alimentos no pueden usarse en el cuerpo bajo la forma en que se ingieren. No se disolverían con facilidad en el agua y no pasarían a través de las membranas celulares, aun si pudieran llegar ahí. Los alimentos que comemos son químicamente complejos, y las células no pueden usarlos en forma directa para su propio crecimiento. El primer paso es la digestión, proceso que ocurre en el aparato digestivo (1, 2 y 3) y en el que las moléculas de alimento se desintegran en moléculas más pequeñas.

OXIDACIÓN METÁLICA

Todos hemos visto cómo —cuando se dejan a la intemperie— los objetos metálicos se manchan con un polvo rojo. Cuando esto ocurre se dice que el metal se oxidó. Esto sucede en el nivel molecular y atómico. La explicación se encuentra al entender la oxidación y la reducción, los cuales son dos fenómenos que se producen en algunas reacciones químicas. La oxidación puede deberse al agregado de oxígeno a una sustancia, a la pérdida de hidrógeno o a la I pérdida de electrones por la misma. La reducción es el fenómeno contrario, y también se produce de tres maneras: por pérdida de oxígeno, ganancia de hidrógeno o ganancia de I electrones. Por ejemplo, cuando el magnesio se quema en el I aire, el metal se convierte en cenizas, gana oxígeno y resulta I oxidado. Las cenizas que quedan son óxido de magnesio.

LLUVIA ÁCIDA

Un tipo de fenómeno químico provocado por la actividad humana ocurre cuando combustibles fósiles, como el carbón y la gasolina son quemados emitiendo óxidos de azufre y carbono. Estos óxidos forman una mezcla en el aire húmedo produciendo ácidos sulfúrico, carbónico y nítrico. Cuando llueve o nieva, estos ácidos caen en la superficie como lluvia ácida. En el siglo veinte, la acidez del aire y de la lluvia fueron reconocidos como una amenaza para la estabilidad y la calidad del ambiente. La mayor parte de esta acidez es producida en naciones Industrializadas: Estados Unidos, I Canadá, Japón, y casi todos los países de Europa. Los efectos I de la lluvia ácida pueden ser devastadores para muchas I formas de vida, Incluyendo la vida humana. Sus efectos pueden ser más notables en lagos, ríos y en la vegetación.

CAMBIOS DE LAMATERIA VIVA

Los organismos que descomponen los restos de anima les y plantas muertos se denominan descomponedores. Desempeñan un papel fundamental en los ecosistemas por que liberan nutrientes en el aire, el suelo o el agua que, de no ser por ellos, quedarían atrapados dentro de los organismos muertos. Los animales que se alimentan de organismos muer tos se conocen corno necrófagos. Son importantes para el reciclado de los nutrientes. Los carroñeros también transfieren la energía de los animales del ecosistema de los que se I alimentan. Las bacterias y las levaduras son desintegra-I dores. Convierten los tejidos y los desechos de organismos I en sustancias más simples. Este proceso se llama descomposición. Los desintegradores regresan el nitrógeno, los I fosfatos y otras sustancias al suelo o al agua.

FORMAS DE COCCIÓN

Cuando los alimentos se cocinan ocurren profundos cambios en su estructura química. Se vuelven más digeribles para el organismo humano y su sabor cambia. Absorben agua y otras sustancias como sales. En suma, en la cocina se dan a diario fenómenos químicos cuando los alimentos son preparados en sus distintas formas; la cocina es un verdadero laboratorio químico. Cocinar cambio los alimentos física o químicamente de tal modo que se convierten en más deleitables y digeribles. El uso de calor mata o inactiva organismos causantes de enfermedades. El calor también retarda la acción de las enzimas y organismos que causan la destrucción de los alimentos. Los alimentos también son transformados por medio de la preparación de muchas diferentes maneras. Pueden ser alterados al cortar, picar, condimentar y congelar.

CONVERSIÓN DE ENERGÍA

Casi todas las formas de energía pueden convertirse en electricidad. Los procedimientos más comunes para producirla son los empleados en pilas y generadores. La potencia de los pilas se debe a la conversión de energía química en energía eléctrica. Muchos generadores convierten energía calorífica (por combustión) en energía eléctrica. Las pilas pueden compararse con un tanque lleno de energía. Una pila común contiene electrodos negativos, electrodos positivos y un líquido ácido llamado electrolito. El acumulador de coche (A) es un conjunto de pilas o baterías que convierten la energía química en eléctrica. Un electrodo (8) cede electrones al líquido mientras que el otro electrodo (C) los gana. Esto crea una diferencia de potencial que produce una corriente eléctrica cuando los electrodos se conectan en un circuito (D y E).

EBULLICIÓN Y EVAPORACIÓN

SI un poco de agua se dejó en un pato en una atmósfera seca, al cabo de algunas horas habrá desaparecido; se habrá evaporado. SI se calienta el agua en una olla, llegará un momento en que se forman burbujas de vapor. Este fenómeno de evaporación se llama ebullición. La ebullición se produce a una temperatura específica llamada punto de ebullición. Los líquidos se transforman así en gases. Las moléculas de líquido absorben suficiente energía calorífica para romper sus uniones y formar un gas. Al comienzo se forman burbujas en el líquido y cuando la presión en el interior de ellas iguala la presión atmosférica se produce la ebullición. La evaporación sólo afecta a una pequeña parle del líquido y se produce a cualquier temperatura inferior a la de ebullición. Las moléculas con mayor energía de la superficie del líquido pasan al aire.

CORRIENTE ELÉCTRICA

La corriente eléctrica es un flujo de cargas negativas llamadas electrones. La carga eléctrica se mide en unidades denominadas coulomblos, mientras que su intensidad se mide en amperes, La electricidad es una forma muy versátil de energía, que puede convertirse en cualquier otra, Incluidas luz y calor. Existen dos tipos de corriente eléctrica: corriente continua o directa, que fluye en una sola dirección, y corriente alterna, que cambia de dirección 60 veces por segundo. La corriente que normalmente utilizamos en nuestros hogares para iluminarnos o para hacer funcionar la mayor parte de aparatos eléctricos es corriente alterna. Por otra parte, la que usamos en algunos juguetes, aparatos y lámparas portátiles es corriente directa. Asimismo es de esta última clase la producida por los acumuladores o baterías de los automóviles.

CAMBIOS DE ESTADO

Muchas sustancias pueden existir en más de un estado: sólido, líquido o gaseoso. El estado depende de la temperatura y la presión. En ciertas condiciones de temperatura y presión, algunas sustancias cambian de estado. Los líquidos, por ejemplo, pueden volverse sólidos o gases, y los gases condensarse en líquidos. Cada sustancia está caracterizada por constantes físicas específicas como son, entre otras, los puntos de fusión y de condensación. La ebullición se produce I a una temperatura específica llamada punto de ebullición. Los líquidos se transforman así en gases. Las moléculas de líquido absorben suficiente energía calorífica para romper I I sus uniones y formar un gas. Al comienzo se forman burbujas de I I vapor en el líquido y, cuando la presión en el Interior de ellas iguala a la presión atmosférica, se produce la ebullición.

TEMPERATURA

Es una propiedad de los cuerpos que, entre ciertos límites, la podemos apreciar con nuestros sentidos. Los cuerpos en contacto y a diferente temperatura, tienden a igualarla, enfriándose los calientes y calentándose los fríos. Para determinar lo frío o caliente que está un objeto debemos medir su temperatura. Ello nos indica cuánta energía tienen los átomos del cuerpo. Cuanta más energía contengan los átomos, más rápido se moverán y mayor será la temperatura del objeto. Para cada sustancia simple, hay una temperatura específica en la I que se produce un cambio de estado, son los puntos de fusión I y ebullición. El cero absoluto (-273 °C) es la temperatura I I por debajo de la cual los átomos de cualquier sustancia dejan I de moverse. Las escalas más usadas para medir la temperatura son la centígrada (CC) y la Fahrenheit (°F).

MOVIMIENTO PENDULAR

Los tres tipos de movimiento más sencillos que ocurren en I la naturaleza son el movimiento uniforme, el movimiento uniformemente acelerado y el movimiento circular uniforme. Sin embargo, no son estos los únicos movimientos que pueden tener los cuerpos que observamos. Hay otros movimientos como el oscilatorio y el pendular. El péndulo simple es un cuerpo pesado o lenteja, sujeto por un hilo o cuerda de un soporte fijo y que puede girar libremente bajo la acción de su propio peso. Si observamos al péndulo en su posición inicial, es decir, cuando se ha separado una cierta distancia o elongación de su posición de equilibrio y se I ha soltado, vemos que las fuerzas que sobre él actúan son I dos: una su peso (P) en la dirección vertical y otra la reacción de la cuerda (T) dirigida hacia el soporte del péndulo.

MAGNETISMO

En 600 a.C. los antiguos griegos ya se habían dado cuenta de la existencia del magnetismo. Tales de Mileto supo de un mineral (magnetita) que atraía al hierro ordinario y encontró que ese mismo metal se imanaba tocando el mineral magnético. Los chinos descubrieron, probablemente alrededor del siglo XI, que un imán actúa como una brújula. Una de las características más relevantes de un imán es que al romperlo en dos partes, cada pedazo resulta ser también un imán. Se puede uno preguntar hasta dónde es posible continuar subdividiendo hasta que un medio imán no se comporte como tal imán. La respuesta es que esto no ocurre nunca. Podemos seguir así hasta la escalo subatómica y encontraremos que los mismos electrones, protones y neutrones son imanes. Todo imán posee un polo norte (N) y un polo sur (S).