CAP 1 CIENCIAS FÍSICAS 2DO. AÑO
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Este documento presenta una introducción a los conceptos de materia y estados de la materia. Explica que la materia puede presentarse en tres estados fundamentales - sólido, líquido y gaseoso - y a veces incluye al plasma como un cuarto estado. Describe las características macroscópicas de cada estado y clasifica los sistemas materiales en abiertos, cerrados, aislados, homogéneos y heterogéneos. Finalmente, introduce el concepto de universo oscuro y que además de la materia común, el univer
CAP 1 CIENCIAS FÍSICAS 2DO. AÑO
- 1. Sistemas materiales capítulo 1Introducción El curso Introducción a las Ciencias Físicas de 2º año estará centra- do en el conocimiento y profundización de dos conceptos fundamen- tales de la ciencia: materia y energía. El hombre siempre ha querido comprender el universo que lo rodea, eso ha determinado que materia y energía hayan sido objeto de estudio desde la antigüedad. Ya los griegos, hace 2500 años, dieron diferentes explicaciones sobre la constitución de la materia (fig. 1). Hoy las investigaciones en mecá- nica cuántica y física de partículas permiten comprender más profun- damente la interacción entre materia y energía (fig. 2). Fig. 2. Parte del Gran Colisiona- dor de Hadrones construido en el CERN (Organización Europea para la Investi- gación Nuclear) donde, realizando coli- siones entre partículas a altas velocida- des, los científicos pretenden conocer más sobre la naturaleza de la materia. Fig. 1. Aristóteles 384a.C.–322a.C. Uno de los filósofos más importantes de la humanidad, cuya obra ha influenciado a los grandes pensadores de la historia antigua y contemporánea. 9Capítulo 1 • Sistemas materiales2º C.B. • Ciencias Físicas EditorialContexto-Canelones1252-Tel29019493
- 2. En los siguientes capítulos analizaremos los diferentes estados en que se presenta la materia en la naturaleza, sus características, los cam- bios que experimentan y la participación de la energía en estas trans- formaciones. Estudiaremos algunas propiedades de los materiales que nos rodean para comprender las ventajas y desventajas de su utilización en el dise- ño y fabricación de diferentes dispositivos. Finalmente abordaremos el rol de la energía como motor del desa- rrollo mundial, las diferentes formas de transformarla, su impacto en la economía y en el medio ambiente (fig. 3). Para poder lograr los objetivos planteados del curso, será necesario realizar experimentos, que exigirán una metodología de trabajo orde- nada y sistemática. También será imprescindible la lectura de artículos de divulgación científica y búsqueda de información calificada, pero sin duda lo más importante será tu capacidad de procesar toda esta infor- mación de forma reflexiva, analítica y crítica. Materia Podemos aproximarnos a una definición de materia considerando que forma todos los cuerpos del Universo y que de alguna manera pue- de percibirse mediante los sentidos. Esta percepción a veces no resulta fácil siendo necesario el uso de instrumentos adecuados como un microscopio para observar peque- ñas partículas o telescopios para visualizar objetos muy lejanos. MATERIA: es el constituyente de todos los cuerpos del Universo. Estados físicos de la materia Si observamos a nuestro alrededor percibimos diferentes cuerpos u objetos porque ellos estimulan nuestros sentidos: una escultura, el agua del mar o una brisa fresca sobre la piel (fig. 4). Todos los objetos que nos rodean se nos presentan en diferentes es- tados físicos, siendo los tres fundamentales: Estado sólido Estado líquido Estado gaseoso Fig. 3. La búsqueda de energías al- ternativas a las tradicionales es uno de los mayores desafíos de la humanidad para asegurar un desarrollo sustentable. 10 Capítulo 1 • Sistemas materiales Ciencias Físicas • 2º C.B.
- 3. Podemos mencionar al plasma como un cuarto estado de la materia, o considerarlo como una forma especial del estado gaseoso que en de- terminadas condiciones adquiere propiedades electromagnéticas. Este estado está presente en el sol y demás estrellas, en las lámparas de bajo consumo, en el aire cercano a los rayos en una tormenta eléctrica o en una bola de plasma (fig. 5). Además existen mezclas de los estados fundamentales (gelatinas, cremas, merengues, pastas, etc). El merengue, por ejemplo, se obtiene batiendo clara de huevo; mediante agitación se incorporan burbujas de aire quedando con la consistencia “espumosa” característica. Características macroscópicas de los estados de la materia Las características macroscópicas son aquellas que se pueden ver a simple vista, en contraposición a las microscópicas que requieren ins- trumentos para verlas o detectarlas. Resulta sencillo identificar los estados físicos de la materia. Por ejemplo el cuerpo de una persona tiene huesos en estado sólido, sangre en estado líquido y aire, en estado gaseoso, en sus pulmones. En el siguiente cuadro se describen en forma comparativa algunas características de los estados físicos de la materia. Fig. 5. El gas contenido en la esfera de vidrio se encuentra en el estado deno- minado plasma. Fig. 4. Sólido, líquido y gaseoso son los estados fundamentales de la materia. 11Capítulo 1 • Sistemas materiales2º C.B. • Ciencias Físicas EditorialContexto-Canelones1252-Tel29019493
- 4. Fig. 6. En cada recipiente tenemos materia en diferente estado físico. ESTADO SÓLIDO ESTADO LÍQUIDO ESTADO GASEOSO Tiene forma propia No tiene forma propia, adopta la forma del recipiente que lo contiene No tiene forma definida Tiene volumen propio Tiene volumen definido No tiene volumen definido. Ocupa todo el volumen disponible del recipiente donde está contenido Prácticamente no se puede comprimir Se comprime más que un sólido Es muy compresible Se dilata muy poco Tiene mayor dilatación que un sólido Se dilata mucho más que un sólido y que un líquido Actividad 1 Observación de las características macroscópicas de los estados de la materia. Coloca cubos de hielo en un recipiente transparente. En otro recipiente similar coloca agua a temperatura ambiente. Infla un globo (fig. 6). Indica en qué estado físico se encuentra el contenido de cada uno de los recipientes. ¿En qué casos el contenido tiene forma propia y en cuáles adopta la forma del recipiente? ¿En qué casos el volumen del contenido es igual al del recipiente? Realiza una marca indicando el nivel del líquido y si tienes una cámara digital toma una foto de los tres sistemas. Luego introdú- celos en el freezer durante 2 horas y vuelve a tomar una fotogra- fía. ¿En algún caso es apreciable una variación del volumen? Ex- plica. 12 Capítulo 1 • Sistemas materiales Ciencias Físicas • 2º C.B.
- 5. Fig. 7. Si la planta es el sistema a estudiar, todo lo que la rodea e interactúa con ella constituye el ambiente. Sistemas materiales y clasificación Cuando realizamos una investigación resulta útil dividir el espacio en sistema y ambiente. ¿Qué es un sistema? SISTEMA: es la porción del espacio que vamos a estudiar. AMBIENTE: es todo lo que rodea al sistema. En algunos casos el sistema y el ambiente pueden estar delimitados por una “frontera” física, en otros casos no es así. Por ejemplo, un reci- piente tapado conteniendo un líquido tiene límites materiales, sin em- bargo si nuestro sistema a estudiar es la atmósfera, su límite es teórico y no físico. Sistemas abiertos, cerrados y aislados Utilizando como criterio la interacción entre sistema y ambiente po- demos realizar la siguiente clasificación: SISTEMA ABIERTO: es el que intercambia materia y energía con el ambiente. El sistema formado por la planta (fig. 7) es un sistema abierto, debi- do a los múltiples intercambios de materia y energía que realiza con el ambiente. Por ejemplo agua, minerales, gases y luz. SISTEMA CERRADO: es el que intercambia energía pero no intercambia materia con el ambiente. Las arvejas dentro de la lata cerrada (fig. 8) configuran un sistema cerrado, ya que no es posible que ingrese o salga materia de ella. Pero sí es posible el intercambio de energía; por ejemplo si calentamos el re- cipiente, las arvejas también aumentarán su temperatura lo que indica que ingresó energía. En este caso las paredes del recipiente determinan una frontera ma- terial entre el ambiente y el sistema. SISTEMA AISLADO: es el que no intercambia ni materia ni energía con el ambiente. Agua caliente dentro de un termo cerrado o cubitos de hielo dentro de una conservadora son ejemplos de sistemas aislados. Si bien a través de sus paredes pueden producirse pequeños inter- cambios de energía, durante el tiempo de trabajo experimental pode- mos considerar despreciables dichas transferencias (fig. 9). Fig. 9. Sistema Aislado El contenido de un termo tapado es un ejemplo de sistema aislado. Fig. 8. Sistema cerrado. No es posible el intercambio de materia pero sí de energía con el ambiente. 13Capítulo 1 • Sistemas materiales2º C.B. • Ciencias Físicas EditorialContexto-Canelones1252-Tel29019493
- 6. Sistemas homogéneos y heterogéneos Es posible clasificar los sistemas materiales utilizando como criterio el número de fases. Se denomina fase a cada una de las diferentes “partes o zonas” que se observan. SISTEMA HETEROGÉNEO: es aquel formado por dos o más fases. Ejemplos Un sistema formado por agua y aceite se clasifica como sistema he- terogéneo porque tiene dos fases. En el recipiente de la figura 10 se observa el agua de mayor densidad en la parte inferior del recipiente y el aceite, menos denso, en la parte superior. Este sistema formado por dos componentes (agua y aceite) tiene dos fases bien diferenciadas. En el vaso de la figura 11 se observa otro sistema heterogéneo for- mado por dos fases: limonada y cubitos de hielo. Siempre es posible encontrar un procedimiento para separar las fa- ses (método de separación de fases). En el primer ejemplo es posible separar el agua del aceite utilizando un dispositivo llamado embudo de decantación (fig. 12). Para separar las fases del sistema formado por limonada y cubitos de hielo se puede utilizar una pinza (extracción directa). SISTEMA HOMOGÉNEO: es aquel formado por una sola fase. La limonada contenida en el vaso (fig. 13) y la harina que se observa en el plato (fig. 14) son ejemplos de sistemas homogéneos. Fig. 10. El sistema formado por agua y aceite es heterogéneo. Fig. 11. El sistema formado por li- monada y cubitos de hielo es heterogé- neo. Fig. 12. El embudo de decantación permite separar agua y aceite. Fig. 13. Sistema homogéneo. Fig. 14. Sistema homogéneo. 14 Capítulo 1 • Sistemas materiales Ciencias Físicas • 2º C.B.
- 7. Actividad 2 Dados los seis sistemas de la figura 15: a) Clasifícalos según el número de fases. b) En caso de clasificarlo como heterogéneo, explica cómo procede- rías para separar las fases y los materiales necesarios. Fig. 15 b. Harina y lentejas. Fig. 15 c. Alcohol.Fig. 15 a. Fideos y agua. Fig. 15 e. Corcho, arena y agua. Fig. 15 f. Agua con hielo.Fig. 15 d. Arena y agujas. 15Capítulo 1 • Sistemas materiales2º C.B. • Ciencias Físicas EditorialContexto-Canelones1252-Tel29019493
- 8. Fig. 16. La totalidad de la “materia común” que conocemos, solo representa el 4 % del total de la materia del universo material. Fig. 17. Imagen de la nebulosa “Cabeza de Caballo” tomada por el Ob- servatorio Europeo Austral - Chile. Lectura Universo oscuro Oscuro. Hace tiempo que los cosmólogos no dudan en definir así a nuestro universo. Y es que cada vez son más los datos que confirman que la energía oscura y la materia oscura son sus principales componentes. Se sabe que existen, pero no se sabe lo que son. Hay consenso al reconocer su enorme influencia, pero jamás se han podido detectar. Energía y materia oscura parece que lo invaden todo, pero nadie sabe de qué están hechas. Todo empezó hace unos años con las observaciones del movimiento de al- gunas galaxias y de la luz que pasaba próxima a ellas, que no seguían las re- glas que predecía la teoría de Einstein. Luego vendría la sorpresa de ver cómo las galaxias lejanas se distanciaban de nosotros a una velocidad muy superior a la que también predecía dicha teoría. La explicación más aceptada desde entonces a estas irregularidades, es que nuestro universo está compuesto además de por la materia que conocemos, por un tipo de materia a la que se ha denominado “materia oscura” que su- pondría el 21% de la composición total del universo. Se sabe que no emite luz y que casi no interactúa con la materia ordinaria, pero que ejerce una gran fuerza de gravedad. Asimismo se cree que también tiene que existir una “energía oscura” -un 75% del cosmos- responsable de la aceleración que sufre actualmente la ex- pansión del universo. Estas ideas, concebidas ya hace tiempo, han sido confir- madas por numerosas observaciones. Que el universo conocido -galaxias, estrellas, nuestro Sistema Solar e in- cluso la Tierra, pertenezca tan solo a ese pequeño 4% de la materia ordinaria del universo, aviva todavía más la curiosidad por nuestro cielo. La “naturaleza oscura” supone en la actualidad un nuevo universo por des- cubrir, un nuevo reto para nuestra mente. Artículo de J. M. López publicado en la revista Fusión – España 2006 Cuestionario: 1. Además de la materia que forma todos los cuerpos conocidos ¿cómo está compuesto nuestro universo? 2. ¿Por qué estas formas de materia y energía reciben el nombre de “oscura”? 3. Si no es posible percibirlas por los sentidos; ¿en qué se basan los científicos para sostener su existencia? 4. ¿Qué interpretas cuando el autor dice que la materia y la energía oscura suponen un “nuevo universo por descubrir”? Materia oscura Materia común Energía oscura 16 Capítulo 1 • Sistemas materiales Ciencias Físicas • 2º C.B.
- 9. 1) En los últimos años se ha popularizado el término “plasma” debido a la nueva tecnología utilizada para fabricar pantallas de televisores, conocidas por su sigla PDP (Plasma Display Panel). a) ¿Cómo se relacionan las pantallas de plasma con el plasma como cuarto estado de la materia? (fig. 18) b) ¿Qué diferencias tecnológicas existen entre las pantallas de plas- ma, las de LCD (cristal líquido) o las clásicas CRT (tubo de rayos catódicos)? 2) El agua tiene un rol indispensable para la vida en nuestro planeta y se encuentra presente en los tres estados físicos (fig. 19). a) Indica en qué zonas de la biósfera existen cantidades significati- vas de agua y en qué estado se encuentra. b) El agua del planeta está en permanente circulación generándose el denominado Ciclo del Agua. Investiga y explica las caracterís- ticas más relevantes de este ciclo. 3) En este capítulo se han mencionado los estados de la materia, sóli- do, líquido, gaseoso y plasma. En la actualidad los científicos con- sideran la existencia de un quinto estado denominado Condensado de Bose-Einstein. a) ¿Por qué lleva el nombre Bose – Einstein? b) ¿Es posible encontrar materia en este estado a temperatura am- biente? 4) Al estudiar algunas características macroscópicas de los líquidos y sólidos, hemos visto que son poco compresibles y su dilatación no es tan notoria comparada con un gas. Sin embargo estas variaciones de volumen no siempre son despreciables (fig. 20). Investiga: a) ¿Qué son las juntas de dilatación y cuál es su utilidad en la cons- trucción de estructuras como puentes, edificios y vías férreas? b) ¿Cómo se relaciona el funcionamiento de un termómetro con la dilatación de los líquidos? Fig. 19. En la biósfera es posible encontrar agua en los tres estados físicos. Investiga Preguntas 1) a) ¿Qué es un sistema? b) ¿A qué se denomina ambiente? 2) a) Define qué es un sistema abierto, uno cerrado y uno aislado. b) Menciona un ejemplo de cada tipo. 3) a) ¿Cuáles son los estados físicos de la materia? b) ¿Cuáles son las características de cada uno de ellos? 4) a) Define qué es un sistema homogéneo y heterogéneo. b) Indica un ejemplo de cada tipo. Fig. 18. Fig. 20. La previsión de dilatacio- nes es fundamental en el diseño de obras viales y edilicias. 17Capítulo 1 • Sistemas materiales2º C.B. • Ciencias Físicas EditorialContexto-Canelones1252-Tel29019493
- 10. 1) En una clase el profesor pregunta: ¿qué tipo de sistema es una caja de leche chocolatada sin abrir? (fig. 21) Carolina considera que es un sistema aislado, en cambio Martina opina que es un sistema cerrado. ¿Cuál de las dos alumnas tiene ra- zón y por qué? 2) Clasifica los siguientes sistemas en abierto, cerrado o aislado, expli- cando en cada caso la relación con el ambiente. a) sardinas enlatadas b) copa con vino c) un paquete de panchos envasados al vacío d) recipiente de espumaplast conteniendo helado e) un árbol f) una habitación con las puertas y ventanas cerradas 3) En un experimento se está estudiando la flotabilidad de algunos cuerpos en agua (fig. 22). a) Indica qué partes componen el sistema y cuál es el ambiente. b) Clasifica el sistema como abierto, cerrado o aislado. c) ¿En qué estado físico está cada componente del sistema? d) ¿El sistema es homogéneo o heterogéneo? e) ¿Cuántas fases tiene? 4) El recipiente de la figura 23 contiene agua coloreada y está tapado de tal forma que no permite el intercambio de materia con el am- biente. a) Identifica qué partes componen el sistema y cuál es el ambiente. b) Clasifica el sistema en abierto, cerrado o aislado. c) ¿El sistema es homogéneo o heterogéneo? d) Si enfriáramos el recipiente hasta obtener hielo ¿cambiaría la masa del sistema? Justifica. 5) Describe lo que ves en cada fotografía (fig. 24 a, b y c) e indica en qué estado físico está la materia en cada una, justificando tu res- puesta. Fig. 21. Problema 1. Fig. 22. Problema 3. Fig. 23. Problema 4. PROBLEMAS Fig. 24 a, b y c. Problema 5. 18 Capítulo 1 • Sistemas materiales Ciencias Físicas • 2º C.B.