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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.
MATERIA Y ENERGÍA
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)
MATERIA Y ENERGÍA
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.
MATERIA Y ENERGÍA
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.
MATERIA Y ENERGÍA
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)
MATERIA Y ENERGÍA
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)
MATERIA Y ENERGÍA
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”.
MATERIA Y ENERGÍA
El átomo (3)
MATERIA Y ENERGÍA
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.
MATERIA Y ENERGÍA
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”.
MATERIA Y ENERGÍA
El átomo (6)
MATERIA Y ENERGÍA
El átomo (7)
En el año 1919, el físico neocelandés E. Rutherford (187119379) 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.
MATERIA Y ENERGÍA
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
MATERIA Y ENERGÍA
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
MATERIA Y ENERGÍA
El átomo (11)
Espectrógrafo de masas
Consiste 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
MATERIA Y ENERGÍA
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:
Α
Ζ
X
MATERIA Y ENERGÍA
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.
MATERIA Y ENERGÍA
El átomo (14)
Espectro de emisión de un elemento
MATERIA Y ENERGÍA
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)
MATERIA Y ENERGÍA
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)
MATERIA Y ENERGÍA
El átomo (17)
Niveles energéticos de los electrones del átomo
de hidrógeno
MATERIA Y ENERGÍA
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.
MATERIA Y ENERGÍA
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.
MATERIA Y ENERGÍA
El átomo (20)
Modelo mecánico – cuántico del átomo
MATERIA Y ENERGÍA
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.
MATERIA Y ENERGÍA
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.
MATERIA Y ENERGÍA
El átomo (23)
Tamaño de un átomo de hidrógeno
MATERIA Y ENERGÍA
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)
MATERIA Y ENERGÍA
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)
MATERIA Y ENERGÍA
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”.
MATERIA Y ENERGÍA
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.
MATERIA Y ENERGÍA
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.
MATERIA Y ENERGÍA
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.
MATERIA Y ENERGÍA
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.
MATERIA Y ENERGÍA
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.
MATERIA Y ENERGÍA
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/.
MATERIA Y ENERGÍA
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.
MATERIA Y ENERGÍA
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)
MATERIA Y ENERGÍA
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.
MATERIA Y ENERGÍA
Unión entre átomos (3)
Enlace iónico del
cloruro sódico
MATERIA Y ENERGÍA
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)
MATERIA Y ENERGÍA
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
MATERIA Y ENERGÍA
Unión entre átomos (6)
Enlace homopolar
Enlace bipolar
MATERIA Y ENERGÍA
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)
MATERIA Y ENERGÍA
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)
MATERIA Y ENERGÍA
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.
MATERIA Y ENERGÍA
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)
MATERIA Y ENERGÍA
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
MATERIA Y ENERGÍA
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
MATERIA Y ENERGÍA
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 BoyleMariot, 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.
MATERIA Y ENERGÍA
La materia a nivel macroscópico (5)
Aumento de la presión de un gas al
disminuir el volumen
MATERIA Y ENERGÍA
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”.
MATERIA Y ENERGÍA
Escala de magnitudes de la materia (2)
MATERIA Y ENERGÍA
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.
MATERIA Y ENERGÍA
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”.
MATERIA Y ENERGÍA
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.
MATERIA Y ENERGÍA
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.
MATERIA Y ENERGÍA
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.
MATERIA Y ENERGÍA
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
MATERIA Y ENERGÍA
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.
MATERIA Y ENERGÍA
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)
MATERIA Y ENERGÍA
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.
MATERIA Y ENERGÍA
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)
MATERIA Y ENERGÍA
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)
MATERIA Y ENERGÍA
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.
MATERIA Y ENERGÍA
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.
MATERIA Y ENERGÍA
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)
MATERIA Y ENERGÍA
Energía en la materia a nivel macroscópico (10)
Energía electromagnética (2)
Los campos magnéticos tienen naturaleza
ondulatoria
MATERIA Y ENERGÍA
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.
MATERIA Y ENERGÍA
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”.
MATERIA Y ENERGÍA
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.
MATERIA Y ENERGÍA
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.
MATERIA Y ENERGÍA
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.
MATERIA Y ENERGÍA
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
Transmutación
Ionización
Nuevo átomo
Átomo ionizado
Molecular
Reacción química
Nueva sustancia
Macroscópico
Cambio de estado de
agregación
Nuevo estado de la misma
sustancia
MATERIA Y ENERGÍA
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)
MATERIA Y ENERGÍA
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.
MATERIA Y ENERGÍA
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)
MATERIA Y ENERGÍA
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.
MATERIA Y ENERGÍA
Transformaciones en la materia y en la energía (6)
Cambios de estado
MATERIA Y ENERGÍA
Conversiones energéticas (1)
Conversiones energéticas en un péndulo (1):
MATERIA Y ENERGÍA
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).
MATERIA Y ENERGÍA
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)
MATERIA Y ENERGÍA
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)
MATERIA Y ENERGÍA
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.
MATERIA Y ENERGÍA
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.
MATERIA Y ENERGÍA
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)
MATERIA Y ENERGÍA
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.
MATERIA Y ENERGÍA
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.
MATERIA Y ENERGÍA
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.
MATERIA Y ENERGÍA
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.
MATERIA Y ENERGÍA
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”.
MATERIA Y ENERGÍA
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.
MATERIA Y ENERGÍA
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)
MATERIA Y ENERGÍA
Conversión energética y rendimiento (2)