Solución de las actividades: página 11

1.-La materia oscura, la energía oscura y algunas radiaciones cósmicas.
2.-Todos los astros est6n en continuo movimiento, y el nacimiento y muerte de las estrellas.
3.- Con el tiempo envejecemos; todos nuestros tejidos y órganos pierden propiedades y funcionalidad.
4.- Como respuesta a esta actividad, el alumnado puede nombrar los electrodomésticos, que transforman energía eléctrica en térmica o mecánica; la iluminación, que transforma térmica en radiante; los cambios de temperatura, o de estado, al cocinar, que implican transferencias de emergía térmica entre sistema

Tema 1. Un universo cambiante de materia y energía.
 
   

1. De que está hecho el universo
      1.1. ¿Conocemos el universo?
      1.2. Misterios sin resolver
      1.3. La constitución del universo
      1.4. Para saber más... El vacío y la nada
      1.5. La materia v la energía
      1.6. Los cambios
2. La materia
      2.1. Qué es la materia
      2.2 Necesitas saber que...
      2.3. Cómo es la materia
3. La energía
      3.1. Dónde encontramos energía en el universo
      3.2. Algunas energías que emite el Sol y que no captan nuestros sentidos
      3.3. Qué energía hay en la Tierra
      3.4. Para qué necesitamos energía
4. Los cambios
      4.1. Necesitas saber... El concepto de interacción
      4.2. El concepto de cambio
      4.3. Por que se producen los cambios
      4.4. Los cambios y la energía
      4.5. Clasificación de los cambios
5. Soluciones de todas las actividades

1. De que está hecho el universo

1.1. ¿Conocemos el universo?

Ya sabemos mucho sobre la constitución, la formación y la evolución del universo. Pero todavía nos queda mucho por conocer.
La fotografía corresponde a la llamada Nebulosa Protoplanetaria del Rectángulo Rojo. ¿Qué es?
Las estrellas están formadas principalmente por hidrógeno y helio, dos de los elementos más abundantes en el universo, pero también por todos los demás elementos de los que están formados los planetas.

Figura 1.Nebulosa del Rectángulo Rojo

1.2. Misterios sin resolver

EI universo guarda aún misterios que todavía nadie conoce, ni sabe cómo resolver. Por ejemplo, la materia oscura, algunos tipos de radiaciones cósmicas que nos llegan con energías asombrosas, o la expansión acelerada del universo son todavía misterios sin explicaci6n.
Aunque no vamos a tratar sobre ellos en este curso, puedes comprender que cuando los resolvamos es posible que descubramos también que el universo es algo diferente de lo que hoy pensamos.

Si tienes curiosidad sobre la MATERIA OSCURA mira en este enlace

http://www.astrogranada.org/haley_digital/web-haley18/materia_oscura.htm

1.3. La constitución del universo

El universo que hoy conocemos esta formado por materia y energía, conceptos que comprendemos relativamente bien.
Pero los científicos hablan también el espacio-tiempo como algo que existe realmente y no como una mera creación de nuestra mente. Y también hablan del vacío, que no es la «nada», como pudiéramos imaginar por su nombre inadecuado.
La materia del universo esta distribuida en grandes cúmulos de galaxias; cada una de ellas esta formada por miles de millones de estrellas y grandes nebulosas de gases y polvo. Las estrellas, a su vez, se encuentran tan separadas unas de otras que podemos decir que el universo es un inmenso vacío con algunos «granos» de materia.

1.4. El vacío y la nada

 Antes se creía que el universo evolucionaba en el interior del «éter», una sustancia enigmática que era el soporte de la luz. Dos científicos, Michelson y Morley, empeñaron muchos años en demostrar su existencia... y lograron demostrar lo contrario: ¡El éter no existe! Por ello, recibie­ron el premio Nóbel de Física en 1907. Entonces, ¿que hay entre los astros? La respuesta fue: el vacío. Curiosamente, el tiempo ha ido mostrando a los científicos que el vacío no puede ser «la nada», porque tiene importantes propiedades.

1.5. La materia y la energía

Los planetas, las estrellas, la Tierra donde vivimos, todo esta formado por materia y energía. En el Sol, cada minuto, millones de toneladas de hidrógeno (H) se convierten en helio (He); en esa reacción nuclear se desprende la inmensa cantidad de energía que irradia al exterior, de la que la Tierra solo recibe una parte insignificante.
¿Y qué relación tenemos los seres vivos con este proceso?

Importante: Todos los seres necesitamos un aporte continuo de materia y energía para vivir. La materia la tomamos del planeta donde nos encontramos, y la energía, del Sol.

Necesitamos materia. Para reponer y añadir elementos (como el carbono, C; el nitrógeno, N; el oxígeno, O; el azufre, S; el fósforo, P; el calcio, Ca; el hierro, Fe, etc.); para sustituir, y en los jóvenes aumentar, la cantidad de piel, neuronas, órganos, músculos y huesos.
Necesitamos energía. Para mantener la actividad diaria: movernos, trabajar, captar la información del mundo que nos rodea y procesarla, digerir los alimentos; y mantener la temperatura corporal.

1.6. Los cambios

Puede decirse que el universo es un conjunto de material y energía en permanente cambio y evolución. No basta, pues, con explicar su composición, porque otra de sus cualidades esenciales es que cambia constantemente.
El universo se formó, probablemente, tras una gran explosión; miles de millones de años más tarde surgieron las estrellas, que formaron las actuales galaxias. Muchas de esas estrellas ya no existen, y han nacido otras. Las galaxias se alejan unas de otras cada vez más deprisa.
Los seres vivos, como componentes del universo, también cambian y evolucionan constantemente, y lo fundamental en todo esto es que:
Cada cambio que se produce en la materia va acompañado de una transferencia de energía.

Actividades

1.- ¿Sabemos si existen cosas en el universo cuya naturaleza desconocemos? Indica algunas.
2.- Nombra dos ejemplos de que el universo cambia.
3.- ¿En qué habrás cambiado tú en 10 años?  ¿Y en 50?
4.- Menciona algunos cambios que se produzcan en la cocina de tu casa y sus transferencias de energía.

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2. La materia

2.1. Qué es la materia

Los científicos aún están investigando sobre la esencia última de la materia, de modo que no podemos responder a esta pregunta con pre­cisión. Sin embargo, sí conocemos muchas de sus propiedades.

La materia tiene propiedades generales:

Propiedades generales de la materia

Propiedad de la materia

Magnitud que la mide

Unidad

Símbolo

Extensión

Volumen

Metro cúbico

m3

Inercia

Masa

Kilogramo

kg

Interacción

Fuerza

Newton

N

Estructura
corpuscular

Cantidad de sustancia

Mol*

Mol

(* Mol es la cantidad de materia que contiene el número de Avogadro, N, de partículas unitarias o entidades fundamentales (ya sean éstas moléculas, átomos, iones, electrones, etc.).
O también: Mol es la cantidad de materia que contiene un número de entidades igual al número de átomos contenidos en 12 g de carbono-12.

número de Avogadro: N = 6,023 x 1023 partículas )

A veces, por simplificar, solemos decir que:

Definición: Materia es todo aquello que tiene extensión e Inercia.

Las magnitudes que miden las propiedades generales de la materia varían con la cantidad de materia considerada. Decimos que las propiedades generales son extensivas: dependen de la extensión de la muestra.

La materia tiene propiedades específicas. Algunos ejemplos son la densidad, las temperaturas de fusión y ebullición, las conductividades térmica y eléctrica, el brillo, el color, etc. Las propiedades específicas son las que utilizamos para diferenciar unos materiales de otros.
De ellas decimos que son Intensivas, porque no dependen de la extensión de la muestra que tomemos: tiene la misma densidad el agua de un vaso que la de un lago (si ambas son puras).

2.2. Necesitas saber que...

La extensión de la materia tiene dimensiones: longitud, superficie y volumen que se expresan en metros, m; metros cuadrados, m2, y metros cúbicos, m3.
En el SI. se considera como magnitud fundamental la longitud, y su unidad es, el metro, de símbolo m.

Actividades

 

Solución de las actividades: página 12

1.-Las generales son extensivas y características de toda la materia. Las específicas son intensivas y características de los distintos materiales.
2.- La macrosc6pica.
3.- Una propiedad general de la materia: esta formada por partículas separadas por el vació.
4.- Pueden ser átomos, moléculas o cris­tales, están en continuo movimiento (agitación térmica), e interaccionan entre ellas. A su vez, están formadas por partículas mas pequeñas, en las que reside la carga eléctrica.
5.- Nace y muere en los átomos, por los cambios que se producen en su interior

 

1.- Cuál es la diferencia entre las propiedades gene­rales y las específicas de la materia?
2.- Cuando hablamos de propiedades de la materia, ¿estamos utilizando la escala macrosc6pica o la microscópica?
3.- ¿Qué es la «estructura corpuscular de la materia»?
4.- ¿Qué sabrías decir de las partículas que forman la materia?
5.- ¿Dónde nace la luz? ¿Y dónde muere?

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2.3. Cómo es la materia

2.2.1. EI aspecto de la materia: escala microscópica

Definición: La escala macroscópica es aquella que pueden captar nuestros sentidos y que, por tanto, abarca desde los milímetros hasta los anos luz.

En nuestro planeta, podemos apre­ciar la materia, a esta escala, en sus tres es­tados de agregación: gaseoso, formando la atmósfera; líquido, formando la hidrosfera, y sólido, en todo el resto de la geosfera.
La Luna, nuestro satélite, se nos presenta formada solo por llanuras y montañas, sin líquidos ni gases. Los demás planetas se encuentran tan lejanos que no podemos apreciar a simple vista su composición.
El Sol y todas las estrellas son algo extraordinariamente distinto. Son gigantescas masas ígneas que desprenden continuamente una inmensa cantidad de energía. El único fenómeno próximo a nosotros que pudiera parecérsele es la llama. Cuando la materia se encuentra a altas temperatu­ras, irradia luz y calor y adquiere propiedades eléctricas. Decimos quo se encuentra en estado de plasma.

Figura 2. Cortador de plasma


Definición: Estado de plasma es cuando la materia se encuentra a altas temperaturas e irradia luz y calor y adquiere propiedades eléctricas.

2.2.2. La materia por dentro: escala microscópica

Definición: La escala microscópica es la que no podemos apreciar a simple vista.

A escala microscópica sabemos que la ma­teria esta formada por partículas que se mueven e interaccionan en el vació.
Estas partículas se encuentran en un estado de agitación permanente, agitación térmica, que es la causa de la temperatura de los cuerpos. Únicamente podrían encontrarse en reposo en el cero absoluto de temperatura, 0 K (-273,13 °C).

Las partículas materiales estables por excelencia son los átomos, que  podemos encontrar aislados, formando moléculas (como el agua o la sacarosa) o formando cristales (como el diamante o el hierro). Estos átomos están formados por otras partículas que tienen carga eléctrica. Los átomos son las fuentes donde nace la luz y los sumideros donde esta muere, porque también se producen cambios en su interior.


Figura 3. diamante a escala microscópica.

3 La energía

3.1. Dónde encontramos energía en el universo

Cuando observamos el cielo nocturno, vemos millones de estrellas que emiten luz. Muchas de ellas están a cientos o a miles de años luz de distancia, lo que nos hace pensar en la inmensa cantidad de energía que se está produciendo en ellas.
También podemos ver la Luna y los planetas, astros formados por ma­teria a bajas temperaturas. Aunque brillan, esta luz no es propia, sino que es la que reflejan del Sol.
El Sol nos envía tanta luz que nos cegaría si la mirásemos, pero también recibimos grandes cantidades de radiaciones no visibles. Algunas, como la IR (infrarroja), nos proporcionan la sensación de calor, pero otras, como los rayos UV (ultravioletas), los rayos X y los γ (gamma), eliminarían todo vestigio de vida en la Tierra de no ser porque la atmós­fera las absorbe y las transforma en energía térmica (se calienta).
Necesitas (o deberías)saber que...
Un año luz es una medida de longitud que utilizan mucho los astr6nomos. Equivale a la distancia que la luz recorre en un año, que, como aprenderemos a cal­cular en la siguiente unidad, tiene un valor de 9,46 - 1015 m.

3.2. Algunas energías que emite el Sol y que no captan nuestros sentidos

En el universo hay más energía de la que pueden captar nuestros sentidos, pero la podemos detectar, e incluso medir, con aparatos científicos adecuados. Toda ella surge como consecuencia de los cambios que se están produciendo en el interior del Sol y del esto de estrellas; fundamentalmente, en la transformación del hidrógeno, H, en helio, He, en una reacci6n de fusi6n nuclear:
H + H --> He + Energía

Emisión UV (Ultra violeta del Sol). Emisión de rayos X del Sol

Figura 4. Sol. Emisión UV

Figura 5. Sol. Emisión rayos X

Puedes encontrar más imágenes en esta pçagina:
http://www.alertatierra.com/SolExplosiones.htm

  

3.3. Qué energía hay en la Tierra

Casi toda la energía que encontramos en la Tierra procede, directa o indirectamente, del Sol, como el carbón o el petróleo. Ocasionalmente, también podemos observar alguna manifestación de la energía interna  de la Tierra en los volcanes, los géiseres o los terremotos. Además, tenemos pequeñas cantidades de elementos radiactivos, como el uranio, del que también puede obtenerse energía mediante reacciones nucleares.

3.4. Para qué necesitamos energía

3.4.1. Para realizar las funciones vitales

Como seres vivos, hacemos un gasto continuo de energía al realizar las funciones vitales y el resto de actividades. Esta energía la obtenemos de los alimentos.
A medida que la humanidad fue creciendo fuimos desarrollando actividades, como la ganadería y la agricultura, para poder alimentar a una población en constante crecimiento.
Hoy, gracias a la ciencia y a la tecnología, fabricamos más alimentos de los que podemos consumir, aunque aún hay países que sufren escasez alimentaria.

Figura 6. Puesto de ffruta en un mercado

3.4.2. Para que funcionen las máquinas

La ciencia y la tecnología nos han permitido fabricar máquinas que nos ayudan en el trabajo. Estas máquinas también requieren energía, por lo que las sociedades necesitaron buscar grandes cantidades de energías distintas a las de los alimentos. Quemando el carbón, o el petróleo, y transformándolo en CO2, se obtiene la energía térmica para que funcionen las máquinas.

La energía esta siempre ligada a la materia; es generada y absorbida por ella.

Para obtener energía, hay que transformar la materia.


Figura 7. Escavadora extrayendo mineral

Actividades

1.- ¿Dónde están las principales fuentes de energía en el universo? ¿Pueden verse?
2.- Indica las dos clases de energía que necesitamos en las sociedades modernas.

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Solución a las actividades: página 15

1.-Las principales fuentes de energía del universo son las estrellas, y sí, pueden verse incluso encontrándose a distancias tan enormes (excepto el Sol), lo que prueba la gran cantidad de energía que de ellas se desprende.
2.-Los alimentos, sin los que no podríamos realizar nuestras funciones vitales, y los combustibles o la electricidad, sin los que nuestras maquinas no podrían funcionar.

 

4 Los cambios

4.1. Necesitas saber que... EI concepto de interacción
La Luna y la Tierra se atraen mutuamente; decimos entonces que interaccionan. La consecuencia de ello es que giran la una alrededor de la otra.
También los cuerpos electrizados interaccionan cuando se atraen o se repelen.
Decimos que dos o más cuerpos interaccionan cuando entre ellos existen fuerzas, ya sean atractivas o repulsivas.
Todos los cuerpos interaccionen con el resto del universo; más intensamente con los cuerpos cercanos.

4.2. El concepto de cambio

En la naturaleza, todo cambia constantemente. Desde las estrellas «fijas», que la humanidad de otros tiempos pensaba que eran astros inmóviles e inmutables, y hoy sabemos que son estrellas de nuestra galaxia que giran a velocidades elevadísimas, que nacen, evolucionan y, finalmente, mueren, hasta fenómenos más cercanos, come la formación de montanas y valles, que aparentemente han estado ahí desde la formación de la Tierra. Todo se encuentra en un continuo cambio.

Definición: En ciencia llamamos cambio, o fenómeno, a cualquier suceso observable y medible.

También la evolución de un ser vivo es un continuo cambio.

4.3. Por que se producen los cambios

Definición: La causa de todos los cambios son las interacciones: gravitatorias, electromagnéticas o nucleares.

Veamos algunos ejemplos:

4.4. Los cambios y la energía

Hemos visto que los fenómenos naturales, los cambios, tienen una causa: las interacciones de la materia. Pero también tienen unas consecuencias:

Siempre que se produce un cambio hay, simultáneamente, una transferencia de energía.

Dependiendo del tipo de fenómeno, las cantidades de energía que se ponen en juego son mayores o menores. Los cambios más energéticos suelen ser los nucleares, los que tienen lugar en el interior de las estrellas. Los menos energéticos, los físicos.

4.5. Clasificación de los cambios

Los cambios se clasifican según las consecuencias que producen en cambios físicos, químicos y nucleares:

Cambios físicos

Son los que se producen sin alteración de las sustancias, como los movimientos, los cambios de estado, el viento, algunos fenómenos eléctricos, etc.
A este tipo pertenecen también los fenómenos de formación de estrellas y planetas que tienen lugar en las nebulosas pla­netarias, debidos, principalmente, a las fuerzas gravitatorias que reúnen grandes masas de gases y polvo.


Figura 8. Cambio físico por impacto

Cambios químicos

Son aquellos en los que si se producen cambios de las sustancias, coma la reacción del sodio metálico con el agua para formar sosa e hidrógeno, o los cambios que se producen en el interior de las células vivos, como en las hojas de las plantas, donde las fuerzas electromagn6ticas transforman el C02 del aire y el H2O del suelo en azúcares y otras sustancias:

CO2 + H2O + energía azúcares


Figura 9. Fotosíntesis en las hojas de una planta

Cambios nucleares

Se producen cuando cambian los elementos químicos.
Así sucede en las estrellas cuando dos átomos de hidrógeno, H, se unen y las fuerzas nucleares los transforman en uno de helio, He


H+HHe+energía

A partir del hidrógeno se forman, en el interior de las estrellas, todos los elementos que conocemos.


Figura 10. las reaccioes nucleares se dan en el Sol y las estrellas.

Actividades
1.- En ciencia, ¿que es un fenómeno? ¿Y que es un fenómeno físico? Menciona algunos ejemplos   
2.- ¿Qué tipos de cambios se dan en los seres vivos?
3.- ¿Qué tienen en común todos las clases de cambios?
4.- ¿Qué es la gravedad? Pon ejemplos de cambios producidos por ella.

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Solución de las actividades: página17

1.- Un fenómeno, o cambio, es cualquier suceso observable y medible. Es físico si no hay alteración de la naturaleza de las sustancias que intervienen (movimientos, cambios de estado).
2.- Se dan los tres tipos de cambio. En su interior hay multitud de sustancias en movimiento (físicos), se producen multitud de reacciones químicos (químicos), y hay elementos radiactivos que se desintegran (nucleares).
3.- Sus causas son las interacciones, y sus consecuencias, las transferencias de energía.
4.-La interacción debida a la masa. A ella se deben los movimientos de los astros y el peso de los cuerpos.