Gran Enciclopedia De Bolsillo

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UN LIBRO DORLING KINDERSLEY

Dirección Diseño Dirección ejecutiva Dirección artística ejecutiva Asesor editorial Selección de ilustraciones Producción Traducción

Scarlett O’Hara Jacqui Burton Carlton Hihbert Hazel Egerton Jacquie Gulliver Jack Challoner Lorna Ainger Josie Alabaster Alejandro Estallo

TÍTULO ORIGINAL: POCKET GUIDES: SCIENCE FACTS COPYRIGHT© 1996 DORLING KINDERSLEY LIMITED, LONDON TRADUCCIÓN © 1997 EDITORIAL MOLINO, ESPAÑA (C) 1997 EDITORIAL MOLINO DE LA VERSIÓN EN LENGUA ESPAÑOLA. ESTE LIBRO FORMA PARTE DE LOS 16 TÍTULOS DE LA COLECCIÓN MINIGUÍAS PUBLICADA POR EDITORIAL MOLINO

Editorial Molino. Calabria, 166 - 08015 Barcelona

ISBN:84'272'2315'3 Julio 1997

Sumario

Edición especial para TIEMPO Director: Pedro Páramo Es una publicación de:

Materia 10 Presidente: Antonio Asensio Secretario del Consejo: Francisco Matosas Consejeros: F. Javier López López y José Sanclemente Sánchez Director General: Dalmau Codina Asesor de la Presidencia: Carlos Luis Álvarez

División de Revistas y Servicios: Director General: Dalmau Codina Subdirector General: José Luis García Director de Nuevos Proyectos: Damián García Puig Director Comercial: Carlos Ramos Director de Publicidad: Julián Poveda Edita: Ediciones Tiempo, S, A, Director Gerente: JUAN PESCADOR O'Donnell, 12, 28009 Madrid.

Impresión y encuadernación: Printer I.G.S.A.

¿Qué es la materia? 12 Teoría cinética 16 Descripción de la materia 18 Atomos 20 Radiactividad 22 Enlaces y moléculas 24 Cristales 26 Mezclas y compuestos 28 Elementos 32

¿Qué son los elementos? 34 Tabla periódica 36 Metales 40 No metales 46 Cambios químicos 48

Reacciones químicas 50 Ácidos y acidez 56

Química del carbono 60 Polímeros 62 Electroquímica 64 Análisis químico 66

Electromagnetismo 130 Suministro eléctrico 132 Electrónica 134 Ordenadores 138 Telecomunicaciones 142

Fuerza y energía 68

Fuerzas en acción 70 Movimiento 74 Presión 78 Máquinas simples 80 Energía 82 Calor y temperatura 86 Fuentes de energía 90 LUZ 94

Radiación electromagnética 96 Fuentes luminosas 98 Luz y materia 100 Lentes y espejos 102 Espectro visible 104 Instrumentos ópticos 108 Sonido 110

Ondas sonoras 112 Grabación del sonido 118 Magnetismo y electricidad 120

Magnetismo 122 Electricidad estática 124 Corriente eléctrica 126

Historia de la ciencia 144

Cronología de los descubrimientos científicos 146

¿ Q U É

M A T E R I A

¿Qué es la materia?

E S

L A

Comparación entre masa, densidad y volumen

es materia. Todo lo que constituye el universo está compuesto de materia: desde el más pequeño insecto hasta las más lejanas estrellas del firmamento. La mayor parte de la materia está formada por diminutas partículas llamadas átomos. En la Tierra, la materia comúnmente se encuentra en uno de los tres «estados» (formas): sólido, líquido o gaseoso. TODO CUANTO NOS RODEA

Densidades corrientes

Masa, densidad y volumen Masa es la cantidad de materia de un objeto. Volumen es el espacio que ocupa el objeto. La densidad de un objeto es su masa dividida por su volumen. Se utiliza la densidad para comparar el peso entre distintos materiales. Bloques de igual masa, pero distinta densidad.

Cera

Gaseoso

Todo líquido adopta la forma • Un gas no tiene un volumen del recipiente que lo contiene o forma fijos: se expande hasta ocupar el recipiente que lo contiene. • Las partículas gaseosas están muy separadas entre sí. • Los enlaces entre partículas son muy débiles: las partículas se pueden mover libremente. LÍQUIDO

• Un líquido tiene volumen fijo, pero su forma es variable: fluye y adopta la forma del recipiente que lo contiene. • Las partículas líquidas están menos enlazadas entre sí que las sólidas. • Las partículas recorren menores distancias entre ellas.

• Un sólido posee forma y volumen fijos. • Las partículas sólidas están fuertemente unidas en formaciones regulares. • Las partículas pueden vibrar, aunque unas fuerzas muy intensas las mantienen en su lugar.

12

Material

Oro

7,9 2,4

Agua

1,0

Gasolina

0,8

Madera (roble)

0,65

Aire (a nivel del mar)

1,025

Hidrómetros La densidad de un líquido a menudo se expresa en relación con la densidad del agua. El hidrómetro mide la densidad relativa de los líquidos. El nivel de flotación del hidrómetro indica su densidad.

Unidades SI________________________________ El kilogramo (kg) es la unidad de masa del SI. Equivale a la masa de un bloque de aleación de platino conservado en Sèvres, Francia. Hay 1.000 miligramos (mg) en un gramo (g), 1.000 g en un kilogramo (kg), y 1.000 kg en una tonelada (t).

19,3

Hormigón

PLASMA: EL CUARTO ESTADO DE LA MATERIA

Trazas de plasma

Densidad g/cm’

Acero

Se forma plasma cuando los electrones son arrancados de sus átomos por la electricidad o el calor. En esta bola de vidrio, se forma plasma cuando una intensa corriente eléctrica atraviesa gases a baja presión.

Electrodo

Sólido

Los átomos de los metales tienen mayor masa y están más fuertemente unidos entre sí que los átomos de la madera.

Madera de balsa

Plomo

Estados de la materia

\ Gas dispersandose en una reacción química.

M A T E R I A ?

M A T E R I A

¿ Q U É

E S

L A

M A T E R I A ?

Cambios en los gases

Cambios de estado

Se forma hielo cuando el agua se enfría lo suficiente.

GAS Las partículas gaseosas chocan entre ellas y con las paredes de su recipiente contenedor.

• Un gas se condensa y se licúa. • La condensación tiene lugar por debajo del punto de ebullición . • La sublimación es el paso del estado gaseoso a sólido, sin pasar por el estado líquido, como el dióxido de carbono.

El estado de una sustancia viene determinado por su temperatura. Cuando los sólidos se calientan, se convierten en líquidos, y los líquidos, en gases. Ello se debe a que sus partículas vibran más rápido y sus enlaces se debilitan. Cuando se enfrían, los gases pasan a líquidos (se condensan), y los líquidos a sólidos. Sus partículas tienen menos movimiento y los enlaces entre ellas se fortifican.

Las débiles fuerzas dejan casi libres a las partículas líquidas.

Las partículas sólidas se mantienen fijas en su posición

LOS TRES ESTADOS DEL AGUA Cuando la temperatura del agua desciende de 0°C, se convierte en hielo. Si la temperatura rebasa los 100°C, el agua se transforma en vapor. Entre ambas temperaturas, el agua se encuentra en estado líquido.

Los cubos de hielo tienen la forma y el volumen de un sólido. AGUA

Cuando el hielo se calienta, se funde y convierte en agua líquida.

LÍQUIDA

El vapor asciende y escapa del matraz

El agua líquida adquiere la forma del matraz-

Cambios en los sólidos

Cambios en los líquidos

• Por encima de la temperatura de fusión, la mayoría de sólidos se convierten en líquidos. • Algunos sólidos pasan directamente a gases (sublimación), sin pasar por el estado líquido, o viceversa.

• Un líquido se evapora para formar un gas. Por encima de la temperatura de ebullición, todos los líquidos pasan al estado gaseoso. • Un líquido se hiela y solidifica por debajo de su punto de congelación.

Puntos de fusión y congelación

Vapor

Sustancia

Alcohol (etanol)

14

Se forman burbujas de vapor cuando el liquido se calienta hasta su punto de ebullición.

Un líquido «superenfriado» como el vidrio, se puede enfriar por debajo de su punto de congelación sin solidificarse. El vidrio es rígido, pero sus partículas están dispuestas con menos orden que las de un sólido.

(-272°F) (32°F)

57°C

(135°F)

PVC

197°C

(387°F)

Nilón

212°C

(414°F)

Sal (cloruro sódico)

801ºC

(1,474°F)

Oro

1.064°C

(1,947°F)

Acero (inoxidable)

1.527°C

(2,781°F)

Diamante

3.550°C

(6,422°F)

Cera

Vidrio

-169°C 0°c

Agua La válvula de seguridad deja salir el exceso de vapor. OLLA A PRESIÓN La alta presión del interior de la olla, eleva el punto de ebullición del agua porque las moléculas del agua necesitan más energía térmica para escapar como un gas. La elevada temperatura cuece los alimentos más deprisa.

Punto de fusión

M A T E R I A

T E O R Í A

Teoría cinética

1

Gas REFRIGERANTE Cuando un globo relleno de gas se introduce en nitrógeno líquido a -196°C, el gas de su interior se enfría. El globo se desinfla

2

Mezcla regular de partículas de bromo y aire

• El científico austríaco Ludwig Boltzmann desarrolló la teoría cinética en la década de 1860. • El botánico escocés Robert Brown observó el movimiento browniano en 1827 (Albert Einstein lo explicaría en 1905).

LEY de Boyle

A temperatura constante (T), el volumen de un gas (V) es inversamente proporcional a la presión (P) (el gas se contrae si la presión aumenta): PV = constante.

Disminución de volumen

Las moléculas gaseosas pierden velocidad cuando el gas se enfría. Las moléculas chocan menos con las paredes del globo y por eso se desinfla. El globo se infla.

Curiosidades

Leyes de los gases

La ley de Gay-Lussac en acción

SEGÚN LA TEORÍA CINÉTICA, las partículas de materia están en continuo movimiento. La energía cinética (movimiento) de las partículas determina la temperatura y el estado de la materia. Las «leyes de los gases» recurren a la teoría cinética para explicar cómo se comportan los gases.

Difusión del bromo en el aire

C I N É T I C A

Difusión Las veloces partículas de un gas se expanden y ocupan tanto espacio como les resulta posible. Por este motivo, dos gases se entremezclan rápidamente (difunden) cuando se encuentran. Los sólidos y los líquidos forman soluciones por difusión, aunque se difunden más lentamente que los gases.

Nitrógeno líquido-

Llenado total Al sacar el globo del seno del nitrógeno líquido, el gas se calienta en el aire. Las moléculas gaseosas se aceleran y el globo vuelve a inflarse.

3

Ley de la presión

A un volumen constante, la presión de un gas es proporcional a la temperatura (el aumento de la temperatura aumenta la presión del gas): P/T = constante

Dilatación de los materiales Suspensión acuosa de polen

Movimiento browniano Vistos al microscopio, los granos de polen rebotan por doquier en el seno del agua. Este fenómeno se llama movimiento browniano. Se debe a que las minúsculas moléculas de agua bombardean los granos de polen.

16

Al calentar un sólido, se proporciona más energía cinética a sus átomos. Los átomos vibran más deprisa y ocupan más espacio, produciendo la dilatación del sólido. Sustancia

Dilatación de una barra DE 1 M DE LONGITUD A 100°C

Invar (aleación de níquel/acero)

0,1 mm

Pyrex

0,3 mm

Aleación de platino

0,9 mm

Acero

1,1 mm

Aluminio

2,6 mm

Ley deGay-Lussac:

A presión constante, el volumen de un gas es proporcional a la temperatura (el gas se expande si la temperatura aumenta): V/T = constante.

m

a

t

e

r

i

a

D E S C R I P C I Ó N

Descripción de la materia

Panal

Un líquido viscoso como la miel no fluye con facilidad a causa de la fricción entre sus moléculas. Los líquidos que fluyen libremente, como el agua, tienen una menor viscosidad.

La miel viscosa se extiende muy lentamente.

Escala Mohs de dureza

Dureza

Mineral

Rayado por

Corindón

Carburo de silicio

8

Topacio

Carburo de tungsteno

7

Cuarzo

Lima de acero endurecido

Feldespato

Arena

Apatita

Níquel

4

Fluorita

Vidrio

3

Calcita

Clavo de hierro

2

Yeso

Uña del dedo

1

Talco

Estaño

1

1

Elasticidad

Los sólidos elásticos como esta cinta de caucho se agrandan (extienden) cuando se estiran, se encogen cuando se comprimen, y retornan a su tamaño y forma originales cuando no actúa ninguna fuerza sobre ellas.

Una masa de 1 kg estira la goma hasta 17 cm.

2 kg de masa estiran la goma a 19 cm.

2

Ductilidad y maleabilidad

alambre

Los sólidos dúctiles tales como el cobre pueden ser estirados en hilos. Los sólidos maleables pueden ser moldeados en frío, usando un martillo o rodillo. El oro es el metal más maleable.

de cobre

8

Una copa de vino se rompe con facilidad si se deja caer al suelo

Estiramiento

Cuando una masa de 1 kg se cuelga de la cinta, la tensión estira la cinta en 2 cm. Los átomos de caucho se separan mientras sus enlaces se estiran bajo dicha tensión.

Los materiales frágiles se rompen repentinamente cuando se someten a estiramiento o compresión, y se fragmentan si reciben un golpe seco. Pero incluso materiales tan frágiles como el cristal o la cerámica poseen cierta elasticidad antes de romperse.

9

5

La cinta tiene 15 cm de longitud cuando ninguna fuerza actúa sobre ella.

Mayor estiramiento

Fragilidad

Diamante sólo

M A T E R I A

Caucho estirado

Dureza

Diamante

6

ÁTOMOS de CAUCHO

La capacidad de resistir el rayado se llama dureza. Se mide en la escala de Mohs, que compara la dureza de diez minerales. Un material es capaz de rayar a otro que posea un valor inferior en la escala de Mohs.

10

L A

Elasticidad

Un MATERIAL PUEDE describirse por sus propiedades físicas y también por su composición química. Color, forma, textura y olor son las propiedades más evidentes. Otras son la dureza, solubilidad, viscosidad y la forma en que un material se comporta cuando actúan fuerzas sobre él.

Viscosidad

D E

Doble ESTIRAMIENTO

Duplicando la fuerza de la tensión se duplica también el estiramiento, por lo que con una masa de 2 kg colgando de la cinta, ésta se estira 4 cm.

Solubilidad en el agua

El vidrio se rompe en pequeños fragmentos.

Las siguientes masas de cada sustancia se disuelven en 100 g de agua a 25°C: • Alcohol (etanol): casi sin límite • Azúcar: 211 g • Sal: 36 g • Dióxido de carbono: 0,14 g • Oxígeno: 0,004 g • Arena: insoluble

Á T O M O S

MATERIA Gluones

Átomos La MATERIA ESTÁ COMPUESTA de diminutas partículas llamadas átomos. La mayoría de los átomos son estructuras muy estables y, por ello, forman los bloques constructivos de todo lo que hay en el universo. Escudo de electrones

Quark bajo

Neutrón

Quark alto

Neutrón

Quarks

Estructura atómica

El centro -o núcleo- de un átomo contiene protones (que poseen carga positiva) y neutrones (que no están cargados). Las partículas cargadas negativamente, llamadas electrones, describen una órbita alrededor del núcleo en capas.

Los neutrones y los protones contienen partículas más pequeñas, llamadas quarks, que se mantienen unidas por unas diminutas partículas llamadas gluones. Los quarks «bajos» poseen un tercio de una carga negativa, y los quarks «altos» dos tercios de una carga positiva.

Los científicos descubren nuevas partículas bombardeando partículas subatómicas a alta velocidad. Las colisiones generan por un instante nuevas partículas, cuyos movimientos son registrados en ordenadores.

Nucleo Átomo de carbono- 12

Número de masa

Descripción DE LOS ÁTOMOS

Colisiones de partículas

Electrón en órbita Corte transversal de un Atomo de carbono

Electrón

Núcleo

Protón

El número total de protones y neutrones en el núcleo constituye el número de masa del átomo. La forma más común de carbono posee 6 protones y 6 neutrones, por lo que se llama carbono-12.

Masa atómica relativa

Átomo de. carbono-14

Neutrón

El núcleo contiene 6 protones y 6 neutrones.

Elemento

Hidrógeno Carbono

ISOTOPOS

Todos los átomos de un mismo elemento contienen el mismo número de protones, pero algunos átomos del elemento pueden tener diferente número de neutrones. Son los isótopos. El isótopo carbono-14 tiene dos neutrones más que el isótopo carbono-12.

El núcleo contiene 6 protones y 8 neutrones.

20

• La masa atómica relativa de un elemento compara la masa media de sus átomos con un doceavo de la masa del átomo de carbono-12. • El número atómico de un elemento indica el número de protones en los núcleos de sus átomos.

Curiosidades

Símbolo

Mar

H

l

C

12

Sodio

Na

23

Hierro

Fe

55,9

Bromo

Br

79.9

Tungsteno o wolframio

W

183,9

Mercurio

Hg

200,6

• Los protones y neutrones son 1836 veces más pesados que los electrones. • Los científicos han descubierto más de 200 partículas subatómicas distintas. • Las motas de polvo contienen un millón de millones de átomos.

R A D I A C T I V I D A D

M A T E R I A

Radiactividad Los NÚCLEOS de algunos átomos son radiactivos. Ello significa que son inestables y que se desintegrarán con el tiempo. La mayoría de los elementos poseen formas inestables llamadas radioisótopos. A medida que se desintegran, desprenden tres tipos de radiación: los Partícula, rayos alfa, beta y gamma. La radiación alfa / puede ser muy peligrosa. Partícula beta El papel impide el paso de las partículas alfa.

SERIE DE DESINTEGRACIÓN 1. Des. alfa uranio-238 2. Dos etapas de desintegración beta 3. Cinco etapas de desintegración alfa 4. Des. beta plomo-214 5. Des. alfa polonio-214 6. Tres etapas de desintegración beta 7. Des. alfa polonio-210 8. Se forma el plomo-206

Serie de desintegración

A medida que se desintegra el núcleo de un radioisótopo, el número de partículas que contiene disminuye y se convierte en un elemento distinto. El proceso continúa hasta llegar a un núcleo estable. Esto se llama serie de desintegración.

Vida media radiactiva

Rayo gamma

El aluminio impide el paso de las partículas beta.

Radiación

Los rayos alta son flujos de partículas cargadas positivamente compuestas por dos neutrones y dos protones. Los rayos beta son flujos de electrones. Los rayos gamma, el tipo más penetrante de radiación, son ondas electromagnéticas.

Unidades del SI El becquerel (Bq) es la unidad de radiactividad. La radiactividad de una sustancia medida en becquerels es el número de sus núcleos que se desintegran por segundo.

Vidas medias de radioisótopos

El tiempo que tardan la mitad de los núcleos de una sustancia radiactiva en desintegrarse se llama vida media de dicha sustancia. A lo largo de cada semiperíodo, la radiactividad desciende primero a la mitad, luego a una cuarta parte, etc. La vida media de cada radioisótopo es diferente.

Isótopo

Vida media

TIPO de desintegración

Uranio-238

4.500 millones de años

Carbono-14

5.570 años

Beta

Cobalto-60

5,3 años

Gamma

Radón-222

4 días

Beta

Unnilquadio-105

32 segundos

Gamma

Alfa

Curiosidades

Muestra radiactiva El plomo impide el paso de las partículas gamma. Contador Geiger El indicador del instrumento señala la cantidad de radiactividad

22

Contador Geiger

Cuando una partícula radiactiva se introduce en un contador Geiger, produce un breve impulso de corriente eléctrica. La radiactividad de una muestra se calcula por el número de estos impulsos.

La mitad de los átomos se han desintegrado. Siete octavos de los átomos se han desintegrado.

• Aunque la radiación puede ser peligrosa, tiene muchas aplicaciones en medicina, incluyendo equipos de esterilización, así como la capacidad de matar células cancerígenas. • La radiactividad fue descubierta por el físico francés Antoine Henri Becquerel en 1896.

Tiempo en vidas medias

M A T E R I A

E N L A C E S

Enlaces y moléculas Átomo de sodio

de electrones

LOS ÁTOMOS pueden unirse y formar moléculas siguiendo un proceso llamado «enlace». Los enlaces entre los átomos se deben a fuerzas eléctricas generadas por el movimiento de los electrones. Se forman al intentar los átomos conseguir una capa externa de electrones completa.

ENLACES COVALENTES En los enlaces covalentes, los átomos comparten electrones. Dos átomos «donan» cada uno un electrón y los electrones componen un par que orbita alrededor de ambos núcleos, manteniendo a los átomos unidos como una molécula. En el enlace doble, cada átomo dona dos electrones.

Átomo de hidrógeno Los electrones compartidos forman un enlace único.

Átomo de nitrógeno

Filamento de metal.

Ion de sodio cargado POSITIVAMENTE

El nitrógeno se enlaza con tres átomos Molécula de amoníaco (NH3) de hidrógeno.

Ambos iones poseen ahora ocho electrones en su capa externa.

En los enlaces iónicos, los electrones se transfieren de unos átomos a otros, convirtiendo a los átomos en partículas cargadas eléctricamente, que reciben el nombre de iones. El átomo que logra el electrón pasa a ser un ión negativo o anión. La fuerza de atracción entre cargas opuestas forma un fuerte lazo iónico.

Ión de sodio positivo (Na+)

M O L É C U L A S

Los electrones se mueven libremente entre átomos.

Átomo de CLORO

Enlaces iónicos

Y

Curiosidades

• En 1811, el italiano Avogadro fue el primero que distinguió a las moléculas de los átomos.

Enlace iónico Enlaces metálicos

• A presión y temperatura normales, un litro de cualquier gas contiene 25.000 millones de millones de millones de moléculas.

Los electrones de la capa externa de los átomos de un metal están muy poco sujetos. Estos electrones libres forman un conjunto que une a los átomos muy fuertemente. Además hacen de los metales buenos conductores de la electricidad y del calor.

Bombilla

Ión de cloro negativo (Cl) Partículas y forma de sus estructuras

Cloruro

Estructura IÓN DE CLORO CARGADO NEGATIVAMENTE

Estructura iónica gigante

Un cristal de sal (cloruro sódico) contiene sodio e iones de cloro dispuestos en una red regular que se extiende por todo el cristal. Esta red se denomina retícula iónica gigante

24

Composición

Tipo de sustancia

Ejemplos

Átomos

Metales

Sodio, hierro, cobre

Iónica

Iones

Compuesto de un metal con un no metal

Cloruro sódico (sal), hidróxido cálcico (cal)

Molecular simple

Pequeñas moléculas

No metal o compuesto no metálico

Yodo, azufre, agua, dióxido de carbono

Molecular gigante

Grandes moléculas

No metal o compuesto no metálico

Diamante, grafito, politeno, arena

Metálica

C R I S T A L E S

M A T E R I A Sistemas cristalinos

Cristales La MAYORÍA DE SÓLIDOS posee una estructura cristalina, en la que las partículas se unen de un modo regular. Hay siete tipos básicos de estructuras cristalinas o sistemas cristalinos. Todas ellas tienen aristas rectas, ángulos simétricos y superficies pulidas. Los cristales que se han formado debidamente, a menudo tienen un alto precio debido a su belleza. Formación cristalina

El azufre forma cristales ortorrómbicos y monoclínicos.

Cristales DE AZUFRE

• Los cristales se pueden formar a consecuencia del enfriamiento de un sólido. • Los átomos, iones o moléculas se juntan y componen una estructura llamada reticular. • La pieza más pequeña y completa de la retícula es una disposición básica de partículas llamada célula unitaria. • La retícula está compuesta por células unitarias idénticas repetidas muchas veces.

Están basados en la longitud de cualquiera de las tres aristas de la célula unitaria que se encuentran en un extremo, y en los ángulos formados en su intersección. Cristales cúbicos de GALENA (MINERAL DE HIERRO) Sistema cúbico

• La película fotográfica graba imágenes utilizando cristales especiales de sales de plata sensibles a la luz. • Los cristales de silicio puro se emplean en electrónica. Se obtienen artificialmente, ya que no existen en la naturaleza. • Los diamantes son cristales de carbono puro.

Esta calculadora muestra los números en una pantalla de cristal líquido.

Sistema tetragonal

Todos los ángulos son de 90°. Dos de las tres aristas poseen la misma longitud. Sistema ortorrombico

Todos los ángulos son de 90°. Cada una de las tres aristas tiene distinta longitud. Dos de las tres aristas están a 90° Todas las aristas tienen distinta longitud. Sistema hexagonal

Cristales líquidos

Un cristal líquido puede fluir, pero sus partículas se alinean de un modo determinado. Un campo eléctrico puede alterar su posición y bloquear el paso de la luz. Este proceso dibuja letras y números en una pantalla de cristal líquido (LCD).

26

Algunos cristales producen una corriente eléctrica cuando se presionan o hacen vibrar. Cuando se les aplica una corriente eléctrica vibran a una frecuencia determinada. Se utilizan en electrónica y en relojería.

La tensión eléctrica de las pilas hace que vibre el cristal de cuarzo.

Todos los ángulos son de 90°. Las tres aristas son de igual longitud.

Sistema monoclínico Curiosidades

Cristales piezoeléctricos

Las aristas forman ángulos de 90 y 120°. Dos aristas tienen la misma longitud.

La vibración del cristal controla las manecillas del reloj.

Agua de cristalización

Algunos cristales son «hidratos», lo cual significa que poseen moléculas de agua atrapadas en su seno. Si se calientan cristales de sulfato de cobre azul, se permite que escape el «agua de cristalización», dejando tras de sí cristales blancos llamados «anhidros».

Sistema trigonal

Ninguno de las tres aristas están a 90°. Todos las aristas tienen la misma longitud. Sistema triclínico

Ninguna de las tres aristas se encuentra a 90°. Ninguna tiene la misma longitud.

La adición de agua vuelve otra vez azules los cristales.

MEZCLASYCOMPUESTOS

MATERIA

Mezclas y compuestos

Comparación entre mezclas y compuestos

En LA NATURALEZA, pocos elementos se encuentran en estado puro. La mayor parte de las sustancias están formadas por dos o más elementos, bien en mezclas esporádicas o, tras ciertas reacciones El químicas, combinadas fuertemente permanganato potásico forma formando compuestos. Los tipos una solución principales de mezclas son las en agua. soluciones y los coloides.

• La débil combinación de azufre y limaduras de hierro una mezcla. El calentamiento de esa mezcla da lugar a una reacción química y se forma un compuesto. • La mezcla se separa fácilmente con un imán; el compuesto requiere una reacción química. El imán atrae las limaduras de hierro.

COMPUESTO DE SULFURO DE

hierro

El imán no atrae al nuevo compuesto.

Mezcla de limaduras DE HIERRO Y AZUF RE

La molécula de agua atrae al ion de potasio cargado positivamente

Compuestos diversos

El cobre y el oxígeno pueden formar dos compuestos diferentes. El óxido cuproso (I) contiene el doble de átomos de cobre que de oxígeno. El óxido cúprico (II) contiene el mismo número de átomos de oxígeno que de cobre.

Soluciones

Una solución es una mezcla de una sustancia (el soluto) disuelta en otra (el disolvente). Muchos compuestos se descomponen en agua formando partículas cargadas (iones) que generan enlaces débiles con las moléculas de agua.

COLOIDES En un coloide, Las diminutas partículas de materia se encuentran dispersas uniformemente CHAMPU por todo el sólido, líquido gas. El champú es coloide formado or partículas sólidas de grasa que se encuentran suspendidas en el agua.

Propiedades de los compuestos

Elementos peligrosos

Los compuestos a menudo poseen distintas propiedades de las que poseen los elementos que contienen. La sal común contiene sodio, un metal peligrosamente reactivo, y cloro, un gas venenoso.

Cloro

CLORURO SODICO SAL COMUN

Tipos de coloides

Tipo

Sol

DESCRIPCION

Ejemplos

Solido en sólido/líquidoCristal coloreado

Emulsión

Líquido en líquido

Gel

Sólido en líquido

Champú, gelatina

Espuma

Gas en líquido/sólido

Crema de afeitar

Aerosol

Solido/liquido en gas Humo, niebla

28

Pintura, leche

Compuesto vital

En una reacción química, el sodio y el cloro se combinan para formar cristales blancos de sal: el compuesto cloruro sódico. El sodio y el cloro pierden así sus propiedades peligrosas. El compuesto resultante no sólo es seguro y comestible, sino que ademas es una parte vital de nuestra dieta.

M A T E R I A

M E Z C L A S

Separación de mezclas

El calor puede evaporar un líquido de una mezcla. En los climas tropicales, la evaporación se utiliza a menudo para obtener sal (cloruro sódico) del agua de mar. A tal fin se construyen salinas en la costa, que se inundan de agua de mar. Esta se evapora al sol, hasta que sólo quedan los cristales de sal.

Destilación

El proceso de destilación separa un líquido de una mezcla. La mezcla se calienta hasta que el líquido hierve y se convierte en gas. El gas es entonces introducido en un condensador, donde se nfría para formar un líquido puro. El agua fría circula alrededor del condensador.

CONDENSADOR LIEBIG

Salida de agua fría

Entrada de agua fría en el condensador

La mezcla se calienta hasta que el agua hierve.

Destilación fraccionada

Este proceso se utiliza para separar una mezcla de líquidos con distintos puntos de ebullición. Para extraer los gases del aire para usos industriales, el aire dehe ser primero enfriado y licuado. A medida que el aire se calienta, los gases líquidos hierven a distintas temperaturas.

C O M P U E S T O S

Evaporación

Los científicos deben separar las mezclas para investigar sus componentes. La decantación es verter un líquido a través de un sedimento sólido o un líquido más denso. El centrifugado separa los componentes más densos de los menos densos haciéndolos girar. Otros métodos de separación incluyen la destilación, la evaporación, la filtración y la desecación.

El gas entra en el condensador.

Y

El gas caliente se enfría y condensa. El agua pura se recoge en el matraz.

El filtro de papel retiene las partículas de azufre.

Filtración Es posible separar grandes partículas sólidas de una mezcla líquida usando un filtro. Un filtro es una barrera porosa que permite al líquido (el filtrado) pasar a su través, pero que retiene las partículas sólidas (el residuo). Mezcla de azufre en polvo y solución de sulfato de cobre

La solución de sulfato de cobre atraviesa el filtro de papel.

El oxígeno hierve a -183°C_________

Aire

El argón -186°C.

Prisma de sal de roca a conservar seca.

El nitrógeno hierve a-196ºC.

El desecante de gel de sílice absorbe la humedad.

hierve a

líquido a -200°C.

Aire

3 0

Tapadera hermética de cristal.

Desecación

El desecador elimina el agua de una mezcla sólida. Se trata de un disco sellado de cristal que contiene una sustancia absorbente de la humedad llamada desecante. La sal de roca suele guardarse dentro del desecador para mantenerla seca para su uso en laboratorio.

E L E M E N T O S

¿ Q U É

¿Qué son los elementos?

Vetas de oro PURO EN CUARZO

Un ELEMENTO ES una sustancia constituida por un sólo tipo de átomo. De los 109 elementos que se conocen, 89 se dan de forma natural sobre la Tierra. El resto se obtiene artificialmente. Unos pocos elementos «poco reactivos», como el oro, se dan en su estado puro; la inmensa mayoría forma compuestos con otros elementos.

S O N

L O S

Composición de la corteza terrestre

El grueso de la corteza terrestre está formado por oxígeno y silicio en su mayor parte combinadas con rocas y arena (óxido de silicio). Las arcillas están compuestas de silicio y oxígeno combinados con el tercer elemento más común: el aluminio.

9,5% de otros elementos

Calcio 3,5% Hierro 5%

Silicio

28%

Alótropos del carbono Aluminio 8% Alótropos

Elementos en la corteza terrestre

Diamante

Los alótropos son formas físicas distintas del mismo elemento. La disposición diferentente de sus átomos les otorgan distintas apariencias y propiedades.

E L E M E N T O S

Oxígeno 46%

LOS MÁS SENCILLOS Y ABUNDANTES El hidrógeno y el helio, los elementos más simples, fueron los primeros en formarse tras la constitución del universo por el Big Bang. El hidrógeno y el helio representan el 97% de la masa de las estrellas, y son, con direrencia, los elementos más abundantes del universo.

Grafito

1 % otros elementos Grafito

Estructura DEL FULERANO

Átomo de Diamante carbono Cada átomo se enlaza fuertemente a otros cuatro, formando una estructura rígida y compacta que se extiende a lo largo de todo el diamante. Esto lo hace muy duro.

Los átomos forman enormes láminas. Tan sólo débiles enlaces mantienen a las láminas unidas. El grafito es blando porque las láminas pueden deslizarse una sobre otra con gran facilidad. Átomo de carbono

Átomo de carbono Fulerano Las moléculas de este alótropo del carbono recién descubierto poseen 60 átomos enlazados formando una esfera a la que se denomina «Fulerano».

Estructura molecular DLL DIAMANTE

34

Estructura molecular DEL GRAFITO

Elementos corporales

Los tejidos corporales están formados por hidrógeno, oxígeno, carbono y nitrógeno, mientras que los huesos contienen calcio. Conjuntamente, estos cinco elementos representan el 98% de la masa corporal. Elementos como el cobre, hierro y zinc, se dan sólo en pequeñas cantidades, pero esos elementos son vitales para poder gozar de buena salud.

Más del 50% de la masa corporal es agua.

Fósforo 1% Calcio 2% Nitrógeno 3% Hidrógeno 10%

Carbono 18%

Oxígeno 65%

Curiosidades

• Los antiguos filósofos griegos creyeron que existían sólo cuatro elementos: tierra, fuego, aire y agua. • El astato es el elemento más raro de la Tierra; el metal más raro es el rodio. • El tecnecio fue el primer elemento que se obtuvo artificialmente. • La atmósfera de la Tierra está compuesta de nitrógeno en un 78%.

E L E M E N T O S

T A B L A

Tabla periódica

P

E

R

I

Ó

D

I

C

A

Grupos y períodos

Cada período comienza a la izquierda con un metal alcalino muy reactivo con su capa externa con un electrón. Termina a la derecha con un gas noble estable en el grupo 18 (0), con ocho electrones en su capa externa. Los elementos del mismo grupo tienen el mismo número de electrones en su capa externa.

CIERTOS ELEMENTOS tienen

las mismas propiedades químicas y estructuras atómicas. Estas similitudes llegan a hacerse patentes cuando todos los elementos conocidos se colocan en una tabla llamada tabla periódica. Esta tabla dispone los elementos en «grupos» (columnas) y «períodos» (filas). Numero atómico

Nombre, número, símbolo

Cada cuadro contiene datos básicos sobre un elemento. El número atómico es el número de protones en los núcleo de los átomos de los elementos. Corresponde también al número de electrones en órbita.

Símbolo químico

Nombre del elemento

A medida que el número atómico aumenta de uno en uno a lo largo de cada período, las propiedades químicas del elemento cambian gradualmente.

Al separar los lantánidos y actínidos de la tabla principal, se logra que su forma sea más fácil de entender. El número de capas de electrones aumenta a medida que se desciende desde la parte superior a la inferior de cada grupo. Los elementos del mismo grupo tienen propiedades químicas similares.

3 6

Para agrupar a los elementos se utilizan dos sistemas alternativos.

E L E M E N T O S

Acerca de los elementos

T A B L A

P E R I Ó D I C A

Cloro

La mayor parte de los elementos conocidos fueron identificados por vez primera por los científicos durante los siglos XVIII y XIX, pero algunos se conocen desde la antigüedad. Ciertos elementos sólo pueden obtenerse de manera artificial en un laboratorio. De los 109 elementos, Elementos producidos artificialmente todos son sólidos a Año temperatura ambiente, Elemento Productor excepto once gases y el mercurio y bromo, que son líquidos.

Elementos más antiguos

Elemento

Carbono

Tectenio

1937

Perrier (Francia) y E.Segré (Italia/EE.UU.) D.R.Corson (EE.UU.)

Astato

1940

Neptunio

1940

E.M.McMillan y P.H.Abelson (EE.UU.)

Plutonio

1944

G.Seaborg (EE.UU.)

Americio

1944

G.Seaborg (EE.UU.)

Curio

1944

G.Seaborg (EE.UU.)

Prometio

1947

J.A.Marinsky (EE.UU.)

Berkelio

1949

S.G.Thompson (EE.UU.)

Californio

1950

S.G.Thompson y otros (EE.UU.)

Nombres de los elementos

Curiosidades

Los nombres o los símbolos de muchos elementos derivan de vocablos griegos. Dan idea de las propiedades de los elementos.

Conocido desde

Einstenio

1952

A.Ghiorso (EE.UU.)

Prehistoria

Fermio

1952

A.Ghiorso (EE.UU.)

Argón (Ar)

Argos

Elemento/simbolo

Palabra griega

Significado

Inactivo

Azufre

Prehistoria

Mendelevio

1955

A.Ghiorso (EE.UU.)

Astato (At)

Astatos

Inestable

Oro

Prehistoria

Nobelio

1958

A. Ghiorso (EE.UU.)

Bario (Ba)

Barys

Pesado

Plomo

Prehistoria

Laurencio

1961

A. Ghiorso (EE.UU.)

Bromo (Br)

Bromus

Huele mal

Cobre

ca. 8000 a.C.

Unilcuadio

1964

G.Flerov (U.R.S.S.)

Cloro (Cl)

Chloros

Verde claro

Plata

ca. 4000 a.C.

Unilpentio

1967

A. Ghiorso (EE.UU.)

Disprosio (Dy)

Dysprositos

Difícil de conseguir

Hierro

ca. 4000 a.C.

Unilhexio

1974

A. Ghiorso (EE.UU.); G. Flerov (URSS)

Hidrógeno (H)

Hydro genes

Generador de agua

Estaño

ca. 3500 a.C.

Unilseptio

1976

G.Munzenburg (Alemania)

Mercurio (Hg)

Hydragyrum

Plata líquida

Mercurio

ca. 1600 a.C.

Unilenio

1982

P. Armbruster (Alemania)

Fósforo (P)

Phosphoros

Portador de la luz

Antimonio

ca. 1000 a.C.

Uniloctio

1984

P. Armbruster (Alemania)

Tecnecio (Tc)

Tekhnetos

Artificial

38

• El helio posee el punto de ebullición más bajo: -268,93°C. • El gas de flúor es el elemento más reactivo. • A temperatura ambiente, el osmio es el elemento más denso y el litio el metal menos denso. El radón es el gas más denso y el hidrógeno el menos denso.

E L E M E N T O S

M E T A L E S

Metales

Composición de las aleaciones más comunes

La MAYORÍA DE LOS ELEMENTOS son metales. Muchos de ellos se encuentran en la corteza terrestre, combinados con otros elementos en capas que forman lo que se llama menas. Los metales en estado puro son poco resistentes, o bien se oxidan. Casi todos los «metales» que utilizamos en la actualidad son aleaciones. Las aleaciones son mezclas sólidas de varios metales, que dan lugar a materiales fuertes, resistentes y duraderos.

Hierro fundido

Hierro 97%, carbono 3%

Duro pero frágil

Duraluminio

Aluminio 96%, cobre 4%

Fuerte y ligero

Peltre

Estaño 50%, plomo 50%

Bastante blando

Latón

Cobre 70%, zinc 30%

Fácil de moldear

Soldadura

Estaño 50%, plomo 50%

Punto de fusión bajo

Acero inoxidable

Hierro 70%, cromo 20%, níquel 9,5%, carbono 0,5%

Duro y no se oxida

Bronce

Cobre 70%, estaño 30%

Resiste la corrosión y el uso

Semimetales

Metales pobres

Propiedades comunes de los metales

Una lata de conserva puede estar hecha de acero recubierto de estaño.

• Los metales tienen un alto punto de fusión y de ebullición. • Conducen bien el calor y la electricidad. • Los metales poseen una alta densidad, y son maleables (pueden ser modelados) y dúctiles (pueden ser estirados hasta formar hilos). • Gran cantidad de metales reaccionan con el aire, formando óxidos, y con ácidos, liberando hidrógeno. • Los metales forman iones positivos o cationes. El herrero trabaja el hierro candente. Aleaciones Aleaciones

Átomos añadidos

Un metal puede ser mezclado con otros metales o no metales, para producir una aleación con propiedades más útiles que las del metal por sí solo. La nueva sustancia altera la estructura atómica del metal de tal manera que sus átomos no se mueven. El resultado es una dura aleación.

Jarra de peltre

Punta de lanza de bronce

Estructura de una aleación

40

Propiedades

Composición típica

Aleación

Los metales pobres son el aluminio, galio, indio, talio, estaño, plomo, bismuto y polonio. Son más blandos y débiles que otros metales, y se derriten con más facilidad. A pesar de su nombre, son muy útiles, especialmente para formar aleaciones.

El boro, silicio, germanio, arsénico, antimonio, selenio y telurio se denominan semimetales porque tienen algunas propiedades de los metales y algunas de los no metales. El silicio y el germanio se utilizan para fabricar componentes electrónicos porque son «semiconductores», es decir, conducen electricidad, pero sólo bajo ciertas condiciones. Circuitos eléctricos miniaturizados de una lámina de silicio

E L E M E N T O S

Metales de transición En medio de la tabla periódica está el grupo de metales típicos llamados metales de transición. Son menos reactivos que los metales alcalinos y que los metales alcalinotérreos, y tienen puntos de fusión y de ebullición más elevados. Algunos metales de transición, tales como el cobre y el níquel, son magnéticos.

M E T A L E S

Propiedades de los METALES DE TRANSICIÓN

• Los metales de transición forman el bloque central de la tabla periódica. • Son duros y densos. • Son buenos conductores del calor y de la electricidad. • Muchos metales de transición son buenos catalizadores. • A menudo forman iones coloreados y compuestos.

ZINC

Es un metal gris azulado que a menudo se utiliza en las carcasas de las pilas. Su principal aplicación es como capa de protección para el hierro o el acero frente a la oxidación. Junto con el cobre forma el latón, una aleación.

• Forman aleaciones con otros metales.

Metales MAGNÉTICOS

Hierro

El hierro es el más importante y el más asequible de los metales que se utilizan. Sin embargo, cuando es expuesto a la intemperie, se oxida, es decir, reacciona con el oxígeno del aire para formar óxido (óxido de hierro). Este problema puede solventarse transformando el hierro en acero. Platino

El raro y atrayente platino se usa en joyería. Nunca se corroe o desgasta de forma natural. El uso primordial del platino en la industria es como catalizador. También tiene aplicaciones en los circuitos electrónicos.

Hierro, cobalto y níquel son los únicos metales de transición que pueden servir como material para potentes imanes. El magnetismo de un electroimán puede ser activado y desactivado mediante el paso de una corriente eléctrica.

Series de transición interna Níquel

El níquel es un metal brillante que no se corroe ni se degrada, al igual que tampoco lo hace ninguna de sus aleaciones. Cuando se alea con el cobre forma el cuproníquel, que se utiliza para hacer monedas. En una aleación con cromo, hierro y carbono, da lugar al acero inoxidable.

Plata

La plata se utiliza, además de en joyería, principalmente en la industria fotográfica. La película en blanco y negro está recubierta por un compuesto de plata, o bien de yodo, cloro o bromo. El compuesto es sensible a la luz.

• Las series de transición interna son las series de los lantánidos y de los actínidos. • Se llaman así por ser el lantano y el actinio los primeros elementos de sus series. • Los lantánidos son tan similares que a los químicos les resulta difícil distinguirlos.

Barras de COMBUSTIBLE DE URANIO DE UN REACTOR NUCLEAR

• Todos los actínidos son radiactivos.

Uranio

El uranio es un metal radiactivo y plateado de la serie de los actínidos. Se extrae de las menas de pechblenda y carnotita. Los reactores nucleares utilizan el isótopo uranio-235 como combustible.

42

El uranio se encapsula en magnox, una aleación de , aluminio y magnesio.

Pellet de combustible de dióxido de uranio

M E T A L E S

Otros metales

Sodio

Al comienzo de la tabla periódica hay dos grupos de metales altamente reactivos: los metales alcalinos y los alcalinostérreos. Nuestro organismo requiere pequeñas cantidades de potasio, sodio, magnesio y calcio para gozar de buena salud. El francio y el radio son metales radiactivos.

Metales peligrosos

Los metales alcalinos son muy reactivos. El potasio reacciona violentamente con agua, resbalando sobre su superficie y creando burbujas de gas de hidrógeno, que arde con llama azul-rosada. El cesio y el rubidio explotan en contacto con el agua.

DE LOS METALES ALCALINOTÉRREOS__________

Estructura atómica

Magnesio

DEL SODIO del sodio

Un átomo de magnesio tiene 12 electrones, pero sólo dos en su capa externa. Ello lo hace reactivo, pero menos que en el caso del sodio. El magnesio es un metal ligero, alcalinotérreo que se usa en aleaciones junto al aluminio y zinc.

El potasio reacciona violentamente con el agua. Propiedades de los metales alcalinos

• Los metales alcalinos son: litio, francio, potasio, rubidio, sodio y cesio. • Forman el grupo 1(I) de la tabla periódica de los elementos. • Pueden ser cortados con cuchillo debido a su escasa dureza.

Propiedades

El sodio es un metal alcalino, blando y plateado que se degrada si se expone a la intemperie. Un átomo de sodio tiene 11 electrones, pero sólo uno en su capa externa, lo que lo hace muy reactivo. Se extrae de la sal común por electrólisis.

• Los alcalinotérreos son: berilio, magnesio, calcio, estroncio, bario y radio. • Forman el grupo 2 (II) de la tabla periódica. • Reaccionan con el agua para formar soluciones alcalinas. Sus componentes se dan ampliamente en la naturaleza. • Los metales alcalinotérreos son reactivos, aunque menos que los metales alcalinos.

Estructura atómica

• Se conservan bajo aceite para evitar que reaccionen con el oxígeno del aire.

DEL MAGNESIO

• Sus óxidos e hidróxidos se disuelven en agua para dar lugar a soluciones alcalinas.

Calcio

• Forman iones de carga unidad. • Los metales alcalinos reaccionan con algunos no metales para formar sales cristalinas blancas y solubles.

Potasio fertilizante

Las plantas absorben potasio del suelo ya que es crucial para su sano crecimiento. La agricultura intensiva agota los nutrientes del suelo, por lo que los agricultores deben reponerlos añadiendo fertilizantes que contengan potasio y otros nutrientes.

• Poseen puntos de ebullición bajos y poca densidad comparados con otros metales.

44

El calcio es uno de los metales más abundantes de la Tierra. Existen grandes depósitos en forma de piedra caliza (llamada también carbonato cálcico). El calcio está también presente en los huesos, dientes, en las conchas de los moluscos y en otras criaturas marinas. Un ser humano medio contiene 1 kg de calcio.

Esqueleto de mono Rhesus

El calcio, en forma de fosfato cálcico, da al hueso su dureza.

E L E M E N T O S

NO METALES

Gases nobles

LOS NO METALES son

el fósforo, azufre, hidrógeno, carbono, nitrógeno, oxígeno, los halógenos y los gases nobles. Aunque representan una pequeña parte de la tabla periódica, son imprescindibles para la vida sobre la Tierra. Los no metales incluyen elementos que son gases H a temperatura ambiente El hidrógeno se (20°C), como el hidrógeno encuentra en la parte superior de la tabla y el oxígeno. Los no periódica porque tiene metales sólidos el átomo más simple, con un único protón y un incluyen el azufre sólo electrón en órbita. Es y el fósforo. un gas incoloro, inodoro, idrógeno

• Los gases nobles son: helio, neón, argón, kriptón, xenón y radón. • Forman el grupo 18 (0) de la tabla periódica. • Los gases nobles poseen un punto de fusión y de ebullición muy bajos. • Todos tienen una capa externa de electrones completa, que los hace extremadamente no reactivos.

Gas seguro

El helio es un gas noble ligero que se utiliza en globos y dirigibles. Su utilización es muy segura porque es tan poco reactivo que no puede incendiarse. Se extrae de yacimientos naturales de gas.

• Los gases nobles existen como simples átomos (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn).

insípido, no tóxico, y es el menos denso de todos los elementos.

Globos llenos de helio

Estructura ATÓMICA DEL NEÓN

Halógenos

MARIPOSA COLA DE GOLONDRINA Composición del aire

• Los halógenos son el flúor, cloro, bromo, yodo y astato. • Forman el grupo 17 (VII) de la tabla periódica. • Son todos venenosos y tienen un olor fuerte. • Los halógenos forman moléculas de dos átomos (Cl2, Br2, I2, etc.).

Halógenos naturales

El compuesto natural más extendido que contiene flúor es el mineral conocido como fluorita (F,Ca: fluoruro calcico). El yodo se halla en el agua de mar y se llegó a extraer de ciertos tipos de algas marinas.

• Reaccionan con los metales para formar sales (tales como el ClNa, FLi). • Los iones de los halógenos tienen una única carga negativa (F, Cl, Br , I , At )

Cristal de fluorita rosa

.

46

Muchos de los elementos no metálicos están presentes en el aire que respiramos. Elemento Carbono

La vida en la Tierra se basa en el carbono, porque sus compuestos son vitales para el desarrollo de las células. El carbono circula por el aire, los océanos y los organismos vivos en el llamado «ciclo del carbono».

Nitrógeno (N2) Oxígeno (O2) Argón (Ar) Dióxido de carbono (CO2) Neón (Ne)

Porcentaje

78% 21% 0,93% 0,03% 0,0018%

Helio (He)

0,0005%

Kriptón (Kr)

0,00001%

Otros gases

0,03769%

C

A

M

B

I

O

S

Q

U

Í

M

I

C

O

S

R

E

A

C

C

I

O

N

E

Reacciones químicas

S

Q

U

Í

M

I

C

1

el leño desprende calor, el aire a su alrededor se vuelve más caliente.

En la cocción de los alimentos se absorbe calor.

Durante una reacción química

La energía se recoge cuando los enlaces químicos se rompen, y se libera cuando se forman nuevos enlaces. Cuando el metano (CH4) arde, reacciona con Atomo de el oxígeno (O2) Molécula hidrógeno DE METANO del aire.

Átomo de carbono

Reacciones endotérmicas

Algunas reacciones admiten más energía calorífica de la que desprenden. Estas reacciones se llaman «endotérmicas». Las reacciones en la cocción de los alimentos son endotérmicas.

Reacciones exotérmicas

Quemar es una reacción exotérmica; se desprende más calor durante la reacción del que se recoge. La oxidación tiene lugar cuando una sustancia se combina con oxígeno. Cuando un leño arde, se combina con oxígeno y desprende calor. La reducción tiene lugar cuando una sustancia pierde oxígeno.

Los enlaces entre los átomos se rompen.

Átomo de oxígeno Moléculas DE OXÍGENO

Los enlaces volverán a unirse para formar dióxido de carbono y agua.

Electrón

En LACES ROTOS Durante la reacción, todos los enlaces entre los átomos están rotos. Se forman nuevos enlaces al unirse los átomos en distintas combinaciones.

2

Símbolo de reacción reversible,

Transferencia de electrones

Atomo de oxígeno

Dióxido DE NITRÓGENO

S

Formación y rotura de enlaces

CUANDO TIENE LUGAR una reacción química, se forman nuevas sustancias (llamadas productos) a partir de las sustancias que intervienen en la reacción (llamadas reactivos). Los átomos de los reactivos se redistribuyen para formar los productos.

Átomo de nitrógeno

A

MONÓXIDO DE NITRÓGENO Y OXÍGENO

Durante el calentamiento tienen lugar cambios de color. Al enfriarse, se invierten los cambios.

Reacciones reversibles

Las reacciones químicas reversibles pueden avanzar y retroceder. Cuando se calienta, el dióxido de nitrógeno (NO2 ) se descompone en monóxido de nitrógeno (NO) y en oxígeno (O2 ); cuando se enfría, el cambio se invierte.

Durante el proceso de oxidación, los átomos pierden electrones y se «oxidan». Durante la reducción, los átomos ganan electrones y se «reducen» Energía de activación

La mayoría de las reacciones necesitan algo de energía para que den comienzo. Esta energía se llama energía de activación. Rascar una cerilla produce la energía necesaria para su ignición. Al frotarla adquiere energía.

Dióxido DE NITRÓGENO

50

MONÓXIDO DE NITRÓGENO Y OXÍGENO

Molécula de dióxido de carbono

Moléculas DE AGUA

3

Formación de NUEVOS

ENLACES

La reacción produce dióxido de carbono (CO2) y agua (H20). Los nuevos enlaces poseen menos energía almacenada que los originales, con lo que la reacción desprende energía en forma de calor.

C A M B I O S

Q

U

I

M

I C O S

R E A C C I O N E S Aluminio

Descripción de reacciones Cada elemento tiene un símbolo químico para identificarlo, y cada compuesto una fórmula química. La fórmula indica cómo se combinan los elementos de ese compuesto. Una ecuación química muestra qué sustancias reaccionan conjuntamente durante una reacción química y los productos que resultan.

Las

Se forma un precipitado de color amarillo sólido de yoduro de plomo

Curiosidades

• En ninguna reacción química se pierde masa; el primero que lo descubrió fue el químico Antoine Lavoisier en 1774• El cesio es el elemento metálico más reactivo. • El actual sistema que utiliza letras para representar elementos fue ideado en 1811.

ECUACIONES

QUÍMICAS

siempre

SE

El sodio ocupa un lugar muy alto en cuanto a actividad y reacciona violentamente con el aire Serie de actividad

La serie de actividad compara la reactividad de distintos metales; es decir, con qué facilidad forman compuestos con otras sustancias. Los elementos en la parte superior de las serie son altamente reactivos. Los que están en la parte inferior son muy poco reactivos. Los metales altamente reactivos no pueden encontrarse aisladamente en la naturaleza.

52

-->

La valencia de un átomo designa el número de enlaces químicos que puede formar. Es el número de electrones que el átomo gana, pierde o comparte cuando forma enlaces. Al formarse un compuesto, el total de valencias de los diferentes átomos que intervienen será el mismo.

Aparecen cristales de plata sobre el alambre de cobre.

Alambre de cobre

Óxido de aluminio (O3Al2)

IGUALAN

2IK + (NO3),Pb --> IPb + 2NO3K Nitrato de plomo

Valencia 2

Valencia

Desplazamiento

Durante las reacciones químicas no se pierden átomos, por lo que su ecuación química debe igualarse con el mismo número de átomos de cada elemento en cada miembro. Aquí, una solución de nitrato de plomo reacciona con una solución de yoduro potásico. La ecuación química de esta reacción se muestra a continuación.

Yoduro + potásico

(O)

Valencia 3 -

Solución de nitrato de plomo -

Solución de yoduro potásico

Oxígeno

(Al)

Q U I M I C A S

Yoduro + Nitrato de plomo potásico

Potasio Sodio Calcio Magnesio Aluminio Zinc Hierro Plomo Cobre Mercurio Plata Platino Oro

Dos átomos de aluminio se enlazan con tres átomos de oxígeno.

Unidades

SI

El mol es una medida del número de átomos, moléculas o iones en cualquier sustancia. • 1 mol contiene 6 x 1023 partículas. Este número se llama constante de Avogadro, en honor del científico italiano Amedeo Avogadro. • Aunque el número de partículas en un mol de cualquier elemento es el mismo, sus masas difieren debido a que poseen núcleos de distintos tamaños. Un mol de cobre tiene una masa de 64 g, un mol de aluminio 27 g.

Un metal desplazará (fuera de su lugar) a un metal menos reactivo de una solución. Aquí, los átomos de un «árbol» de alambre de cobre desplazan átomos de plata de una solución transparente de nitrato de plata. El cobre vuelve la solución azul, mientras que la plata desplazada forma cristales en el alambre. Se forma una

Cu + 2NO,Ag—> (NO3) .Cu + 2 Ag

solución de nitrato de cobre azul.

Cobre + Nitrato de plata—> Nitrato de cobre + Plata Sufijos y prefijos

Sufijo

Descripción

Ejemplo

-uro

Contiene sólo los dos elementos del nombre.

Sulfuro de hierro (SFe)

-ito

Contiene oxígeno y los elementos del nombre.

Sulfito de hierro (SO3 Fe)

-ato

Contiene más oxígeno que los -itos.

Sulfato de hierro (SO4Fe)

Prefijo

Ejemplo

Átomos en prefijo

Mono-

Monóxido de carbono (CO)

1

Di-

Dióxido de nitrógeno (NO2)

2

Tri-

Tricloruro de boro (Cl3B)

3

C

A

M

B

I

O

S

Q

U

Í

M

I

C

O

S

R

Control de las reacciones Los químicos aceleran las reacciones haciendo chocar entre sí a las partículas que intervienen en ellas con mayor frecuencia o energía. Las sustancias conocidas como catalizadores aceleran las reacciones ayudando La velocidad de la Una densa solución de a las sustancias a que reacción es menor en una tinte reacciona con más reaccionen débil solución de tinte. rapidez con el material. conjuntamente. Los catalizadores no sufren cambios a lo largo de la reacción química.

E

A

C

C

I

O

N

E

S

Q

U

Í

M

I

C

A

S

LOS CATALIZADORES EN LA INDUSTRIA

Fabricación de amoníaco

Hidrógeno y nitrógeno

Hierro y óxido de hierro.(III)

Fabricación de ácido nítrico

Amoníaco y oxígeno

Platino

Fabricación de ácido sulfúrico

Dióxido de azufre y oxígeno__________

Oxido de vanadio (V)

Fabricación de margarina

Aceite vegetal e hidrógeno

Níquel o platino

Metano y oxígeno

Óxido de cromo (III) y óxido de zinc

Fabricación de metanol

Terrón de azúcar en bebida con gas

Catalizador

Reactantes

Proceso

El azúcar como catalizador

El azúcar refuerza el efecto de las burbujas en los refrescos. Actúa como catalizador para que el dióxido de carbono disuelto en la bebida se libere de la solución.

Concentración

El incremento en la concentración de un reactivo acelera la reacción. Al teñir un material se obtienen resultados más rápidos usando un tinte más concentrado: hay más moléculas de tinte que colisionan con el material.

Catalizador

Catalizador

El catalizador de los automóviles ofrece una gran superficie de contacto para que tengan lugar en él ciertas reacciones químicas. Los gases nocivos que se forman al arder el combustible se hacen pasar a través de su gran superficie de contacto.

Superficie de contacto

La superficie de contacto de un objeto sólido es su área externa. Si se aumenta la superficie de contacto de una sustancia en una reacción química, se acelera dicha reacción. Por esta razón las patatas chips se fríen más rápidamente que la patata de la que proceden. La mayor superficie de contacto de las patatas chips reacciona con el aceite de cocina caliente.

54

Los gases nocivos entran en el catalizador. Las burbujas de gas hacen que se expanda la masa.

La estructura en panal ofrece una gran superficie de contacto. Catalizadores naturales

Teoría de la colisión

Cuando las partículas chocan, con frecuencia rebotan entre ellas y permanecen intactas. Pero si chocan con suficiente fuerza o energía, los enlaces que las unen se rompen y tiene lugar una reacción química.

La masa se

deja reposar en un sitio cálido. Mezcla de levadura -

La levadura es un hongo que contiene enzimas, que son catalizadores biológicos. Los enzimas de la levadura consiguen que los azúcares y almidones se descompongan más rápidamente en dióxido de carbono y etanol. En la elaboración del pan, la levadura contribuye a que se levante la masa.

Recubrimiento de platino y rodio Curiosidades

• El aumento de la temperatura o de la presión incrementa la velocidad de la reacción. • El cuerpo humano contiene más de 1.000 enzimas diferentes. • Los plásticos biodegradables se descomponen antes si reciben fuerte luz solar.

C

A

M

B I O S

Q

U

I

M

I

C

O

Á C I D O S

S

Y

A C I D E Z

Acidos y acidez LOS ÁCIDOS FUERTES son corrosivos y queman la ropa y la piel. Sin embargo, la fruta, las hormigas,

la lluvia, e incluso nuestros estómagos, también contienen ácidos. Algunos ácidos disuelven metales. La fuerza de un ácido se mide en la escala pH

Acido clorhídrico vertido sobre metal

SÍMBOLO DE ADVERTENCIA DE CORROSIÓN POR ACIDOS FUERTES

Reacción de un Ácido y un metal

Molécula de

El ácido clorhídrico derramado sobre virutas de zinc da lugar a un burbujeo al liberarse el hidrógeno presente en todos los ácidos. El zinc reemplaza al hidrógeno en la solución para formar cloruro de zinc.

agua (H2O)

El ion de hidrógeno (H+) se separa de la molécula de agua.

Medición de la acidez

La escala de pH mide la acidez (y la alcalinidad). Sobre la escala de pH, 1 es muy ácido, 7 neutro y 14, muy alcalino. La acidez se mide con papeles indicadores o soluciones -que cambian de color con los ácidos o bases- o con los medidores de pH, que registran la concentración de iones de hidrógeno.

Ácido clorhídrico Lluvia Acida

El acido reacciona furiosamente con las virutas metálicas, liberando gas de hidrógeno. Virutas de zinc.

El agua de la lluvia contiene ácido carbónico débil de forma natural, pero la contaminación actual le añade además ácido sulfúrico y nítrico. Ello supone un fuerte cóctel ácido que puede matar árboles y la vida acuática, así como erosionar estatuas y edificios.

Ión hidroxilo (OH )

ACIDOS EN EL AGUA El agua (H2O) puede descomponerse en iones de hidroxilo (OH ) e hidrógeno(H+). Los compuestos ácidos añaden más iones H+ cuando son disueltos. El pH de una solución es una medida de su concentración de iones de H+. Aplicaciones

Ácidos comunes Acido Clorhídrico

El papel tornasol muestra un pH de 1.

Fórmula ClH

Fuerza

pH

Fuerte

l

Localización Sistema digestivo humano

Sulfúrico

SO4H2

Fuerte

1-2

Baterías de vehículos

Nítrico

NO3H

Fuerte

l

Procesos industriales

Acético

CH3COOH

Débil

3-4

Vinagre

Cítrico

CHA

Débil

3

Fórmico

HCOOH

Débil

4,5

Hormigas, ortigas

Carbónico

CO3H2

Débil

4-5

Agua de lluvia, bebidas carbónicas

56

Fabricación de productos químicos

DEL ÁCIDO SULFÚRICO

Se utiliza primordialmente en la industria, porque reacciona con facilidad con otros compuestos. Se obtiene en grandes cantidades tras una reacción entre azufre y oxígeno.

Tintes y pigmentos

Otros usos.

• El pH, o «potencial de hidrógeno», indica el número de iones de hidrógeno que hay en una disolución. • La palabra «ácido» procede de la palabra latina que designa «agrio».

Frutos cítricos

• La acidez está causada por un exceso de ácido clorhídrico en el estómago.

Detergentes y jabones Fibras y plásticos

Curiosidades

Fertilizantes

C

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S

Alcalis, bases y sales

C

I

Aplicaciones

S

Y

A

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D

E

Z

El pH de las bases

El pH de las bases se extiende desde el neutro del agua pura (pH 7) al muy básico de los álcalis como el hidróxido sódico (pH 14). Los jabones se obtienen haciendo reaccionar un ácido débil con una base fuerte, lo que les da un pH entre 8 y 9.

Fertilizantes

DEL AMONÍACO

O

Indicador de color universal/tabla indicadora de ph de bases

Las bases son compuestos que cancelan o neutralizan la acidez. Cuando una base reacciona con un ácido, se crea una sustancia llamada sal. También se obtiene agua (H20). El agua pura es neutra: no es ni acida ni alcalina. Los álcalis son bases solubles en agua.

Abeja

D

Aguijones de abeja y avispa

Los dolorosos aguijones contienen ácidos o álcalis.

El veneno de un aguijón de abeja es ácido y puede ser neutralizado por un álcali como el jabón o el bicarbonato de sosa. Los de avispa son alcalinos, por lo que pueden neutralizarse con un ácido débil como el vinagre.

El papel indicador universal empapado en dióxido cálcico indica un pH de 12.

Añadir

sulfúrico Otros usos

Amoníaco

Los fertilizantes que contienen nitrógeno están hechos del álcali amoníaco (NH3). El amoníaco se obtiene siguiendo el proceso Haber, que hace reaccionar conjuntamente al nitrógeno e hidrógeno.

Avispa

añadir

Nilón

DE COBRE

Base

Fórmula

Fuerza

OHNa

Fuerte

Hidróxido cálcico

(OH),Ca

Fuerte

Solución de hidróxido amónico

NH4OH

Débil

Leche de magnesia

Ácido nítrico

pH

Localización

14

Fabricación de jabón

12

Neutraliza la acidez del suelo

10-11

Productos de limpieza doméstica

(OH)2Mg

Débil

10

Carbonato hidrogenado de sodio CO3HNa

Débil

8-9

Bicarbonato de sosa

Sangre

Débil

7,4

Cuerpo humano

58

Sulfato

CARBONICO

DE COBRE

Elaboración de sales

Bases comunes

Hidróxido sódico

Limaduras

Neutraliza la acidez estomacal

Una sal es un compuesto de un metal y un no metal unidos por enlaces iónicos. Cuando un ácido reacciona con una base o con un metal se forma una sal. Como los demás metales, el cobre forma distintas sales. Al hacerlo reaccionar con diferentes ácidos, resultan sales muy distintas.

Cloruro DE COBRE

Curiosidades

Carbonato de cobre

Advertencia de corrosión por álcalis

Los álcalis son químicamente opuestos a los ácidos. Se disuelven en el agua para formar iones hidróxilo (OH-) de carga negativa, haciéndolos tan corrosivos como los ácidos.

• En 1908, un químico alemán, llamado Fritz Haber ideó el proceso de fabricación del amoníaco. • Los álcalis, como los ácidos, son buenos conductores de la electricidad. Ello se debe a que se descomponen en el agua para formar iones.

C A M B I O S

Q

U

í

M

I

C

O

S

Q U Í M I C A

Química del carbono

Carbono en todas partes

El carbono se encuentra en

Plásticos Jabones

Gases combustibles: 1-4 átomos de carbono

materiales utilizados en la vida cotidiana. Los compuestos de carbono son muy comunes porque los átomos de carbono se enlazan con facilidad con los átomos de la mayoría de los elementos, y tienen la peculiaridad de formar enlaces muy estables con otros átomos de carbono.

0°C

Productos petrolíferos

Gasolina: 5-10______ El petróleo crudo es una mezcla átomos de carbono de compuestos de carbono, llamados hidrocarburos, que Nafta: 8-12 _____ puede separarse en sus átomos de carbono componentes mediante destilación fraccionada. Los Queroseno: 10-16 compuestos se evaporan cuando átomos de carbono el petróleo se somete al calor y pasan al interior de la columna de fraccionamiento. A medida Gasoil: 14-20 que la mezcla de gases se eleva átomos de carbono por la columna, los distintos gases se condensan Alquitrán y otros a distintas temperaturas, productos: más de 20 y pasan a estado líquido. átomos de carbono

60

L

C

A

R

Butano

Plantas

Textiles Alimentos

E

B

O

N

O

Compuestos aromáticos

SE CONOCEN MÁS de diez millones de compuestos de carbono. Todas las formas de vida contienen algún compuesto de carbono. El estudio de las sustancias que contienen carbono se conoce como química orgánica.

Combustibles

D

2-METILPROPANO Isómeros

El butano y el 2-metilpropano tienen la fórmula C4H10 ,pero poseen propiedades muy diferentes porque sus átomos se enlazan de maneras distintas. Tales compuestos son conocidos como isómeros uno respecto del otro.

Columna de fraccionamiento

de carbono

Átomo

Nomenclatura orgánica Término

Significado

Ejemplo

Hidrocarburo

Compuesto orgánico de átomos de hidrógeno y carbono únicamente.

Metano (CH4)

Aromático

Compuesto orgánico con un anillo de átomos de carbono.

Benceno (C6H6)

Alifático

Compuesto orgánico con una cadena de átomos de carbono.

Etano (C2H6)

Alcano

Hidrocarburos alifáticos con enlaces simples entre sus átomos de carbono.

Octano (C8H18)

Alqueno

Hidrocarburo alifático con un enlace Eteno (C2H4) doble entre dos de sus átomos de carbono.

Alquino

Hidrocarburo alifático con un enlace Etino (C2H2) triple entre dos de sus átomos de carbono.

Grupo alquil-

Un alcano que ha perdido un átomo de hidrógeno.

Metil (CH3) se forma a partir del metano. Etil (C2H5 ) a partir del etano.

Grupo aril-

Compuesto aromático que ha perdido un átomo de hidrógeno.

Fenil (C6H5 -) se forma a partir del benceno.

Alcohol

Compuesto orgánico con un grupo hidroxilo ( -OH).

Etanol (C2HsOH), etil más un grupo hidroxilo.

Carbohidrato

Compuesto orgánico con átomos de H y O en la proporción 2 a 1.

Glucosa (C6H12 O6)

500

(O más) °C

El benceno es un líquido de fuerte olor que se obtiene del carbono. La estructura molecular del benceno, un anillo de seis átomos de carbono, es la base de muchos compuestos «aromáticos» útiles.

C A M B I O S

Q U Í M I C O S

Polímeros

P O L Í M E R O S

Tipos de polímeros

Serpiente hinchable DE PVC (CLORURO DE POLIVINILO)

SON MOLÉCULAS gigantes constituidas por serpenteantes cadenas de miles de moléculas

El PVC es un «termoplástico»: se funde con gran facilidad.

más pequeñas llamadas monómeros. Las grasas, almidones y las proteínas son polímeros naturales, mientras que los plásticos, así como muchas fibras artificiales, están formados por polímeros artificiales. Enlace doble,

Átomo de hidrógeno Monómero de CLORURO DE VINILO

Las soluciones reaccionan en la probeta.

Átomo de carbono El enlace doble se rompe para unirse a la próxima molécula.

-— El nilón se extrae como un largo hilo.

Atomo de cloro Polímero de PVC

Monómeros y polímeros

Estera elaborada con hilo de lana.

Eteno

Bolsas de plástico, envoltorios de alimentos, aislamiento

Poliestireno

Estireno (feniletileno)

Juguetes de plástico, embalajes, aislamiento, cubetas, plafones de techo

Cloruro de polivinilo (PVC)

Cloruro de vinilo

Canalizaciones y tuberías, aislamiento eléctrico, prendas impermeables

Acrílico

Derivados del ácido acrílico

Fibras sintéticas para prendas de vestir, pinturas

Nilón

Acido hexanodioico y el 1,6-diaminohexano

Fibras sintéticas para prendas de vestir, alfombras, cuerdas de plástico

Poliéster

Ácidos orgánicos y alcoholes

Fibra de vidrio, fibras sintéticas para vestir, velas de barco, película fotográfica

Polimetacrilato de metilo (Perspex)

Metacrilato de metilo

Sustituto del vidrio

Poliuretano

Resinas de uretano

Espuma de relleno de embalajes, adhesivos, pinturas, barnices

Politetrafluoretileno

Tetrafluoretileno

Capa antiadherente para utensilios de cocina, ortopedia, casquillos para máquinas.

Kevlar

Fenilendiamina, cloruro de tereftalilo

Chalecos antibala y otros materiales de alta resistencia

Polímeros naturales

La lana y otras fibras naturales están formadas por polímeros de proteínas fuertes y flexibles. Las mechas se hilan para formar un cordón.

6

2

Adhesivos polimerizantes

Las moléculas de pegamento se polimerizan a medida que salen del tubo para formar fuertes enlaces entre los materiales. Las sustancias estabilizantes evitan que el adhesivo se polimerice en el interior del tubo.

Fabricación DE POLÍMEROS DE NILÓN

El ácido hexanodioico y el 1,6-diaminohexano reaccionan conjuntamente para producir nilón. Sus monómeros se reúnen para formar largos polímeros de nilón.

Aplicaciones

Politeno (polietileno)

La polimerización la detienen las moléculas de estabilizante.

Los monómeros de cloruro de polivinilo son compuestos químicos de moléculas simples. Se enlazan extremo con extremo para formar un largo polímero de PVC. El doble enlace en el monómero de cloruro de polivinilo se rompe. Un enlace se realiza con la cadena y el otro está preparado para enlazarse con el siguiente monómero.

Obtenido a partir de

Polìmero

Curiosidades

• En 1862, el químico inglés Alexander Parkes fabricó el primer plástico. • Las fibras de kevlar son más fuertes que el acero, pero mucho más ligeras. • Hay dos tipos de plásticos: los termoestables (no se funden) y los termoplásticos (que se derriten con facilidad).

La humedad de la superficie neutraliza las moléculas de estabilizante.

Se forman polímeros que dan lugar a una fuerte unión,

C

A

M

B

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O

S

Q

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S

Electroquímica

E

El gas de cloro se acumula en el tubo de ensayo. El electrolito de cloruro de cobre (II) pierde su color. Los iones de cobre ganan electrones y se convierten en átomos de cobre.

Electrólisis del cloruro de cobre (II)

La electrólisis de una solución de cloruro de cobre (II) (Cl2Cu) desplaza los iones de cobre (Cu2+) hacia el electrodo cargado negativamente (cátodo), lugar donde se convierten en átomos de cobre. Los iones de cloro (Cl ) son atraídos hacia el electrodo cargado positivamente (ánodo), en donde se convierten en átomos de cloro.

C

T

R

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Q

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M

I

C

• 96.500 (1 x F) culombios producen 1 mol de yodo (I- ). • 193.000 (2 x F) culombios producen 1 mol de cobre (Cu2+).

64

• En 1807, el químico inglés Humphry Davy descubrió el potasio al hacer una electrólisis de potasa molida (carbonato potásico).

l Mol de cobre 64 Gramos de masa

1 Mol de yodo 127 Gramos DE MASA

• El electrorefino, utilización de la electrólisis para librar a un metal de sus impurezas, puede producir un cobre con una pureza de hasta el 99,99%.

Galvanizado

La carrocería y el bastidor de un automóvil pueden galvanizarse; es decir, recibir una capa de zinc para protegerlos de la oxidación. El conjunto se electrifica y se sumerge en un baño de un electrolito que contiene zinc. Dicha estructura forma el cátodo, por lo que atrae a los iones de zinc (Zn2+) presentes en el electrolito.

Los iones de cloro pierden electrones en el ánodo y se convierten en átomos de cloro.

Se llama así al uso de la electricidad para cubrir un objeto con una capa de metal. Aquí, una cuchara de níquel recibe una capa de plata. Los iones de plata (Ag+) de la solución se dirigen hacia el cátodo de níquel, en donde ganan electrones y forman un depósito de plata. Se sustituyen por los átomos del ánodo de plata que dejan electrones en el ánodo y pasan a la solución como iones.

A

Curiosidades

La electricidad necesaria para producir 1 mol de un elemento por electrólisis es siempre un múltiplo de 96.500 culombios. Este número es la constante de Faraday (F). El múltiplo depende de la carga transportada por los iones del elemento. Por ejemplo:

Los electrones fluyen hacia el ánodo de cobre.

Electrorrecurrimiento

Recubrimiento DE PLATA

E

Constante de Faraday

EL RECURSO a la electricidad para descomponer una sustancia se conoce como electrolisis. Tiene lugar cuando las barras de carbono o de metal (llamadas electrodos), conducen una corriente eléctrica a través de un compuesto disuelto que contiene iones (llamado electrolito).

Níquel

L

A medida que se disuelve el electrodo de zinc, los electrones fluyen fuera de la pila y pasan por el cable.

Obtención de electricidad

La cuchara gira en el electrolito, una solución de nitrato de plata.

La plata se disuelve durante la electrólisis.

Las reacciones químicas pueden producir corrientes eléctricas. En esta pila, una reacción extrae iones (Zn2+) de la placa de zinc, y la deja cargada negativamente. La capa de cobre pierde electrones y se queda cargada positivamente. Entonces fluye una corriente cuando los electrones recorren el cable hacia la placa de cobre.

La bombilla se enciende por el paso de los electrones.

C

A

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A N Á L I S I S

S

Análisis químico

Espectroscopia

LOS QUÍMICOS UTILIZAN varias técnicas para analizar e identificar las sustancias. El análisis cualitativo revela qué elementos o compuestos contiene una sustancia. El análisis cuantitativo muestra cuánto de cada elemento o compuesto está presente. Valoración

Una solución de muestra se hace reaccionar con un producto químico cuya concentración se conoce. Cuando toda la solución ha reaccionado, tiene lugar el cambio de color. La medición de la cantidad de producto químico utilizado muestra la concentración de la muestra.

Test de la llama

Los elementos metálicos pueden identificarse con la prueba de la llama. Se coloca una pequeña cantidad de sal metálica en el extremo de un cable de platino y se calienta en una llama. El metal arde y da a la llama un color determinado. Los fuegos artificiales utilizan compuestos metálicos para producir las chispas de colores.

El sodio arde con una llama amarilla.

66

Test de la llama

Espectros del sodio

La corriente de iones se desvía al someterse a un campo magnético

Color de la llama

Bario

Marrón-verde

Calcio

Naranja-rojo

Cobre

Verde-azul

Litio

Rojo

Potasio

Lila

Sodio

Naranja

Espectro de absorción del sodio

El espectro de emisión se observa por esta mirilla.

Cuando la luz atraviesa un gas, el gas absorbe los mismos colores que los del espectro de emisión. Un «espectro de absorción» de líneas oscuras muestra cuáles son los elementos que están presentes.

Los iones de una sustancia se aceleran a lo largo de un tubo. Un campo magnético desvía a los iones con una determinada carga y masa, que los hace chocar contra un detector situado en el otro extremo del tubo. Ahí se detectan separadamente los distintos iones, que componen así un espectro. Tinta negra

Metal

Una sustancia al calentarse desprende luz que es separada por un espectroscopio en un «espectro de emisión» de bandas de colores sobre un fondo negro. Los distintos elementos producen diferentes espectros de emisión

Espectroscopia de masas

Papel empapado de tinta. -

Los ingredientes de una mezcla disuelta pueden evidenciarse recurriendo al papel absorbente. Este papel absorbe diversas sustancias en distintas proporciones. La tinta negra, por ejemplo, muestra una mezcla de tintes.

Espectro de emisión del sodio Espectroscopia

La retícula produce un espectro de difracción.

Los tintes ascienden por el papel a distintas velocidades. -

Papel cromatográfico

El color de la solución de prueba cambia a medida que el producto químico rosado cae en el matraz.

Q U Í M I C O

Los iones se separan a medida que son desviados. ESPECTRÓMETRO DE MASAS

Detector Perfil del dna

El detector selecciona un tipo de ión cada vez

La muestra se convierte en un gas, y los átomos en iones.

Espectro de MASAS

— Los picos muestran el número de iones.

Los fragmentos del material genético de la piel, sangre o pelo se analizan utilizando una técnica conocida como electrofóresis. El resultado es un perfil único del DNA que puede utilizarse para ayudar a identificar personas o animales.

Fuerza Y ENERGÍA

Fuerzas en acción 70 Movimiento 74 Presión 78 Máquinas simples 8o Energía 82 Calor y temperatura 86 Fuentes de energía 90

F U E R Z A

Y

E N E R G Í A

F U E R Z A S

Fuerzas en acción ¿QUÉ ES lo que hace que un imán atraiga limaduras de hierro, o que una flecha vuele hacia la diana? La respuesta es la fuerza. No podemos ver la fuerza, pero sí sentir sus efectos. Las fuerzas empujan, tiran, estiran o hacen girar un objeto. Las fuerzas se miden en newtons (N). Fuerzas combinadas

Cuando más de una tuerza actúa sobre un objeto, las fuerzas, o «componentes», se combinan para producir una única tuerza, o «resultante», que actúa en sólo una dirección. La fuerza de una flecha lanzada desde el arco es la resultante de fuerzas componentes que actúan a lo largo de la cuerda del arco.

Curiosidades

• Un motor a reacción produce una fuerza de 200.000 newtons (N), como mínimo. • Los frenos de los automóviles ejercen fuerzas de hasta 5000 N.

\ El primer componente actúa a lo largo de la mitad superior de la cuerda del arco.

Tipos de fuerza

• La tensión estira los objetos. • La compresión los comprime. • La flexión dobla los objetos. \ Atracción del polo norte del imán Las fuerzas iguales y opuestas implican que la fuerza resultante es cero, por lo que las bolas permanecen inmóviles.

Par de giro

El par es la fuerza que hace que gire un objeto; la que ayuda a la llave a girar una tuerca. Al aplicar la fuerza lejos de la tuerca se aumenta el efecto de giro. El valor del par se consigue multiplicando Llave extensible El mango más la fuerza largo facilita el por su distancia giro de la tuerca. a la tuerca.

• La fuerza centrípeta mantiene los objetos en un círculo. • La fricción se opone al movimiento. • El empuje hacia arriba actúa sobre los objetos sumergidos.

Fuerzas sobre los objetos sumergidos

Los fluidos (líquidos o gases) ejercen presión sobre los objetos sumergidos en su seno, produciendo una fuerza resultante llamada «empuje vertical hacia arriba». El empuje vertical hacia arriba equivale al peso del fluido desalojado (desplazado) por el objeto. En este experimento, el empuje vertical hacia arriba en el agua de una masa de 1 kg es 1,2 N.

El dinamómetro indica 8,6 N

El melocotón desplaza el agua equivalente a su propio peso.

El nivel del agua sube cuando se sumerge el objeto.

Flotación

El agua desplazada se recoge en la bandeja. Dinamómetro de muelle -

70

• Las fuerzas de cizallamiento rompen los objetos.

Atracción del polo sur del imán

\ La flecha sale propulsada hacia adelante por la fuerza resultante.

El segundo componente actúa a lo largo de la mitad inferior de la cuerda del arco.

• Para reventar un huevo se requiere una fuerza de 50 N.

A C C I Ó N

Fuerzas en equilibrio

Si las fuerzas que actúan sobre un objeto se contrarrestan, se dice que el objeto está en equilibrio. Puede ser que, o bien permanezca en reposo, o bien continúe moviéndose a la misma velocidad y dirección. Estos imanes ejercen las mismas fuerzas opuestas sobre las bolas de un rodamiento alineadas.

Empuje vertical hacia arriba en el agua

• Hace falta una fuerza de 5 N para encender una luz.

E N

Masa de 1 kg

El agua pesa 1.2 N

Si el empuje vertical hacia arriba de un objeto sumergido es mayor o igual que su peso, el objeto flota. Si el empuje vertical hacia arriba es menor que su peso, el objeto se hunde.

F U E R Z A

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F U E R Z A S

A

Un objeto se balancea con facilidad si posee un centro de gravedad bajo (es decir, el punto donde la gravedad parece estar concentrada). Dando un ligero tirón, la botella se inclina, pero luego recupera su posición; con un alto centro de gravedad, el mismo tirón hace que ésta se caiga.

La gravedad nos mantiene firmemente sujetos al suelo. Se trata de una fuerza de atracción entre todos los cuerpos. Todos los objetos experimentan y ejercen una cierta cantidad de gravedad, dependiendo de su masa. La mayoría de la gente sabe que la fuerza de la gravedad actúa sobre nosotros, pero poca gente se da cuenta de que nosotros tiramos de la Tierra con la misma fuerza gravitacional.

Esta manzana pesa cerca de 1 N

es la misma, p ero el peso es diferente.

Medición de fuerzas

En la

La gravedad ejercida sobre un objeto crea una fuerza llamada peso. Esta fuerza se mide en newtons. Un simple instrumento para medir la fuerza es el dinamómetro que mide el alargamiento de un muelle.

En la TIERRA

Peso y masa El peso es la fuerza ejercida por la Tierra sobre un objeto. La masa de un objeto en la Luna es la misma que en la Tierra, pero pesa menos, porque la gravedad en la superficie de la Luna es menor.

Ley de la gravitación de newton De acuerdo con la ley de Newton, para hallar la fuerza de la atracción entre dos objetos se multiplican sus masas y se divide el resultado por el cuadrado de la distancia que media entre ambos. Por ejemplo, si la Luna estuviera sólo la mitad de lejos de la Tierra, la atracción entre ambos cuerpos sería cuatro veces más fuerte. Si la Luna tuviera el doble de masa, la fuerza de la atracción entre la Luna y la Tierra sería el doble de intensa.

La gravedad hace que la botella casi vacía se mantenga en pie.

Curiosidades

• La fuerza de atracción entre Tierra, Luna y Sol causa las mareas de los océanos. • La gravedad en la superficie de la Tierra es seis veces mayor que la gravedad en la superficie de la Luna.

Unidades SI

El newton (N) es la unidad de fuerza del SI: 1 newton de fuerza mueve una masa de 1 kilogramo con una aceleración de 1 metro por segundo.

La botella con alto centro de gravedad se cae.

Teoría general de la relatividad de Einstein

Tierra

Luna Fuerza de atracción = 1 Masa = 1

Fuerza de atracción = 2

Masa = 2 Fuerza de atracción = 4 Masa = 1 Luna a mitad de distancia

72

A C C I Ó N

Balanceo

La fuerza de la gravedad

La masa

E N

Albert Einstein (1879-1955), el físico germano-estadounidense, sugirió que la gravedad es una propiedad del espacio, más que una fuerza de atracción entre los cuerpos de la materia. Argumentó que los cuerpos de materia curvan el espacio, causando que los otros cuerpos «caigan» hacia ellos, e incluso doblen la luz al pasar a su través.

Paso de un cometa

El espacio está distorsionado por la masa del Sol, como una lámina de goma elástica que sostiene un objeto pesado

Sol

La atracción gravitatoria afecta la trayectoria del cometa.

F U E R Z A

Y

E N E R G Í A

Movimiento

M O V I M I E N T O Aceleración Curiosidades

hasta los más grandes planetas, el conjunto del universo está en movimiento. Todos los objetos tienden a resistir las tentativas de cambiar su estado de movimiento, estén parados o moviéndose. A esto se llama inercia. Sobre la Tierra, la fuerza de la fricción hace que los objetos en movimiento se paren, ¿A QUÉ VELOCIDAD PUEDEN IR? pero en el espacio, pueden Avión a reacción continuar moviéndose siempre. 3529 KM/H DESDE LAS MAS PEQUEÑAS PARTÍCULAS

• La gravedad de la Tierra acelera todos los objetos a 9,8 m por segundo al cuadrado.

Superando la inercia y el rozamiento

Velocidad

Lancha RAPIDA 166KM/H

Tren de alta VELOCIDAD 515 KM/H

Coche deportivo 325 KM/H

La rapidez en el movimiento de un objeto en una particular dirección se llama su velocidad. La velocidad lineal de esta motocicleta varía a medida que gira en la curva porque la dirección de su movimiento cambia. Su velocidad numérica permanece constante.

Hombre 36 K M / H

0,05 KM/H

Se dice que algo es veloz cuando desarrolla mucha velocidad. En términos científicos, la velocidad no tiene una dirección determinada. Es simplemente una medida de cuán lejos viaja un objeto en un tiempo dado.

Superando la inercia

Superando el rozamiento

Dar a los pedales de la bicicleta cuesta más al principio, porque se necesita superar la inercia de la bicicleta más la nuestra. Una vez que estamos en marcha, la inercia nos ayuda a mantenernos en movimiento.

El rozamiento se opone al avance. Se da en aquellos puntos en los que las superficies o materiales rozan entre sí. A menos que mantengamos el pedaleo, la fricción acabará por parar nuestra bicicleta. El rozamiento también ayuda a que las ruedas se adhieran al firme.

La fricción ayuda a que las manos se sujeten al manillar.

Guepardo 96 KM/H Caracol

Un objeto acelera a medida que su velocidad aumenta. Los velocistas aceleran al máximo al iniciar su «sprint», y deceleran cuando cruzan la meta, cuando su velocidad disminuye.

• La Tierra viaja por el espacio a 107.000 km/h.

Si la moto describiera un circulo tendría una velocidad constante, pero su velocidad lineal sería distinta en cada momento. A medida que la moto toma la curva, su velocidad lineal varia. Motocicleta circulando en línea recta a velocidad numérica constante.

74

El rozamiento con el aire frena la bicicleta y al ciclista.

Los frenos recurren a la fricción para parar la bicicleta. La fricción contribuye al agarre de los neumáticos.

la fricción frena los pedales y piñones.

El rozamiento retiene los pies sobre los pedales.

F U E R Z A

Y

E N E R G Í A

M O V I M I E N T O La bola aumenta su cantidad de movimiento cuando recibe el golpe del

Más movimiento No todos los movimientos son «lineales» (en línea recta). Un objeto puede «oscilar» (moverse en un sentido y en el opuesto, alrededor de un punto fijo). También puede tener un movimiento circular, causado por la fuerza centrípeta, que lo mantiene moviéndose en círculo. Los objetos en movimiento tienen «cantidad de movimiento», es decir, su velocidad multiplicada por su masa. Conservación de la cantidad de movimiento

Cuando dos objetos chocan, el movimiento se reparte entre ellos. Si una bola de billar en movimiento choca con otra en reposo, la primera transfiere parte de su cantidad de movimiento a la segunda, la cual se pone en movimiento. La cantidad de movimiento total de las dos bolas es la misma que antes de su colisión.

Leyes del movimiento DE NEWTON

• Primera ley Un objeto seguirá en reposo o en movimiento con velocidad uniforme a menos que una fuerza actúe sobre él. • Segunda ley La aceleración de un objeto es igual a la fuerza que actúa sobre él, dividida por su masa. • Tercera ley

Movimiento circular

Un objeto en revolución, como el martillo en atletismo, intenta salir volando en línea recta, pero la fuerza centrípeta tira del objeto hacia el centro del círculo. Esta fuerza cambia constantemente la dirección del objeto, obligándolo a moverse en círculo. La inercia del martillo lo impulsa hacia el exterior.

Un objeto en revolución, como un giroscopio, posee un «movimiento angular» que le otorga estabilidad y le hace resistir la fuerza de la gravedad que trata de volcarlo. A medida que la gravedad trata de tumbar el giroscopio, sus ejes se mueven en ángulo recto respecto a la fuerza de la gravedad, trazando una pequeña circunferencia.

Anillo protector

El eje describe un círculo.

Curiosidades

Oscilación del péndulo

En una oscilación, como la de un péndulo, el objeto se desplaza y retorna a su posición de equilibrio (donde no actúa sobre él ninguna fuerza resultante) por una fuerza (gravedad en el caso del péndulo). Punto de equilibrio

76

La fuerza centrípeta tira del martillo hacia el interior.

Objetos en revolución

La bola roja adquiere movimiento y se aleja. El peso se desplaza a la izquierda.

Cuando un objeto ejerce una fuerza sobre otro, el segundo objeto ejerce una fuerza igual y opuesta sobre el primero.

El martillo sale lanzado cuando se suelta.

La dirección del martillo cambia constantemente.

La bola blanca golpea a la roja y le transfiere movimiento.

El peso oscila alrededor del punto de equilibrio.

El atleta lanza el martillo, produciendo una fuerza centrípeta.

El movimiento coloca el peso más allá de su punto de equilibrio.

• Un girocompás de navegación consta de un giroscopio que se mantiene señalando el norte una vez calibrado. • Los satélites se mantienen en su órbita circular por la gravedad terrestre, que actúa como fuerza centrípeta.

La gravedad trata de volcar el giroscopio.

Rueda en revolución

Giroscopio

- Eje

F U E R Z A

Y

E N E R G Í A

P

Presión EL AIRE QUE NOS RODEA nos

presiona. Al mismo tiempo, nuestros pies empujan el suelo. Los nadadores pueden sentir el agua que les rodea. A esto lo llamamos presión. La presión mide la «concentración» de una fuerza cuando se aplica sobre una superficie determinada.

Presión localizada Es mucho más fácil clavar una chincheta en la pared que un clavo grueso. Esto se debe a que la chincheta concentra toda la fuerza ejercida por el pulgar sobre una superficie muy pequeña.

bloque de 2 kg (20 N ) ejerce una presión de 80 Pa.

¿CÓMO VUELA UN AVIÓN? La parte superior curva del ala de un avión hace que el aire circule a mayor velocidad que el aire bajo ella. A mayor velocidad del aire, menor es su presión. La diferencia de presión produce la «sustentación», que eleva al avión. El aire recorre Sustentación (fuerza más distancia y hacia arriba) va más rápido por encima del ala.

E

S I O N

Ley de Pascal

La ley de Pascal de presiones de los fluidos (o principio de Pascal) enuncia que la presión se transmite de forma uniforme en el seno de los fluidos (un líquido o gas) en todas las direcciones. Por ello un globo se expande uniformemente en todas las direcciones cuando se infla con aire.

Resistencia aerodinámica fuerza hacia

El ala en ángulo tiene la parte superior curva Ala de avión y la inferior recta.

atrás)

Un

La base cubre 0,25 m 2

El pulgar presiona la chincheta.

R

(25

cuadros)

Presión en los fluidos

La presión de un fluido aumenta con la profundidad. Esta es la razón por la que la presión en el fondo de los océanos es mayor que justo bajo la superficie. En la ilustración inferior, las perforaciones a distintas profundidades permiten que el agua Curiosidades coloreada salga con distintas presiones. experimento

La base cubre La base cubre 0,50 m 2 0,25 m 2 (50 cuadros) DE LA PRESIÓN (25 cuadros) Es posible calcular la cantidad de presión ejercida dividiendo la tuerza aplicada por el área sobre la que actúa El incremento del área o la reducción de la fuerza que actúa sobre ella, reduce la presión. Reducir la superficie, o aumentar la fuerza que actúa sobre Un bloque de 2 kg (20 N) Un bloque de 1 kg (10 N) ella, incrementa ejerce una presión de 40 Pa ejerce una presión de 40 Pa la presión.

de presion

Medición

78

Unidades SI

El pascal (Pa) es la unidad de presión en el SI: 1 pascal es igual a la fuerza de 1 newton aplicada a un área de 1 metro cuadrado (1 N/m2).

Recipiente de plástico lleno de agua coloreada. Sale un débil chorro, porque la presión es baja. El agua sale horizontalmente doride la presión es mayor.

• La presión en el fondo. del más profundo océano es 1,1 x 108Pa. • La presión atmosférica estándar a nivel del mar es de 101.325 Pa. • Los cuchillos afilados cortan mejor que los romos porque sus hojas ejercen más presión. • Las raquetas facilitan andar sobre la nieve, al repartir el peso y reducir la presión bajo los pies.

La cuadrícula tiene cuadros de 0,01 m 2 de área.

F U E R Z A

Y

E N E R G Í A

M Á Q U I N A S

Máquinas simples

S I M P L E S

Polea

cambiar la dirección o la intensidad de una fuerza. Por ejemplo, el hacha es una máquina llamada cuña, que corta un tronco en dos. El esfuerzo se hace servir para penetrar un largo trecho en el leño y separarlo una pequeña distancia con mayor fuerza.

La polea simple cambia la dirección de la fuerza. La doble polea aumenta la fuerza y eleva la misma carga con la mitad de esfuerzo, porque la cuerda posee el doble de longitud. Sin embargo, por el mismo motivo, se debe tirar de la cuerda el doble de longitud de la misma.

Las máquinas pueden

El dinamómetro indica 5 N

La carga y la cuerda recorren la misma distancia

Esfuerzo de giro

Tornillo Al dar vueltas a la cabeza del tornillo se le hace avanzar con mayor fuerza de la que se requiere para girarlo.

Plano inclinado Un plano inclinado es una pendiente que reduce el esfuerzo que se requiere para mover un objeto. Por ejemplo, empujar el coche por una rampa es más fácil que elevarlo verticalmente. El coche debe recorrer más distancia, pero se requiere menos esfuerzo para moverlo. El coche recorre más distancia que si lo eleváramos verticalmente El peso del coche lo empuja hacia abajo

80

Rueda y eje Un pequeño esfuerzo sobre la rueda hace girar el eje con mayor fuerza. Un gran esfuerzo en el eje significa que la rueda gira con menos fuerza, pero recorre más distancia.

La fuerza en la cuerda hace subir al coche por la rampa.

El cabrestante es una variante de la rueda y el eje. El cabrestante aumenta la fuerza aplicada sobre una manivela.

Ecuaciones de las máquinas_________________ La relación de fuerzas de una máquina indica su eficacia como amplificador de fuerza. La relación de velocidades expresa su efectividad como amplificador de distancia.

Engranajes Las ruedas y ejes dentados, engranados entre sí, que transmiten la fuerza y el movimiento, se llaman engranajes. Pueden alterar la magnitud de la fuerza, así como la dirección y la velocidad del movimiento.

F U E R Z A

Y

E N E R G Í A

E N E R G Í A Si cae, el gatito

ENERGÍA Toda NUESTRA ACTIVIDAD tiene

su origen en la energía. Nuestra energía procede de los alimentos, en forma de compuestos químicos. La luz, el sonido, el calor y la electricidad son formas de energía. La energía en movimiento se llama energía cinética. La caja posee energía cinética cuando se abre.

Utilización de la energía

tendrá energía cinética.

Actividad de una persona de

70 KG

Unidades SI

Energía utilizada en

JULIOS POR SEGUNDO (J/s)

Dormir

60

Leer sentada

120

Tocar el piano

160

Caminar despacio

250

Correr o nadar

800

Subir escaleras

800

El julio (J) es la unidad de energía y trabajo del SI: se requiere la energía de 1 julio para mover una fuerza de 1 newton una distancia de 1 metro. Un kilojulio (kj) son 1000 J. El herzio (Hz) es la unidad de frecuencia de onda del SI: 1 herzio es una onda completa, o vibración, por segundo. Un kiloherzio (kHz) son 1000 Hz.

Energía potencial Un objeto acumula energía potencial si se comprime o se estira; esa energía se almacena hasta que el objeto deja de sufrir la acción de tales fuerzas. El muelle espiral de la caja sorpresa posee energía potencial. Cuando la caja se abre y se asoma el muñeco, esa energía se transforma en energía cinética.

Energía de una onda Onda transversal

Tipos de ondas Potencial gravitatorio Un objeto elevado posee energía potencial gravitatoria, es decir posee el potencial de volver a caer sobre la superficie terrestre. Si el gatito pierde el equilibrio, esa energía se convierte en energía cinética al caer el animal.

Curiosidades • Una tormenta desarrolla unos 1000 millones de millones de julios de calor y energía potencial. • Una adolescente necesita unos 10.000 kj de energía diariamente.

Cuando digerimos la comida, los compuestos químicos de los alimentos se descomponen y desprenden una energía que nuestro organismo aprovecha. Los distintos alimentos contienen distintas cantidades de energía. Un trozo de chocolate tiene tanta energía como todos estos tomates.

La energía a menudo viaja en forma de vibraciones en movimiento, llamadas ondas. La luz y otras formas de radiación electromagnética, viajan como ondas transversales. Las ondas sonoras viajan como ondas longitudinales: la vibración tiene la misma dirección que la onda.

Valle Longitud de onda

Onda longitudinal Longitud de onda

D irección

Interferencias

82

1 kg de tom ates picos

Ondas CONTRAPUESTAS

del

m ovim iento

c on leche

Los

Am plitud

Cresta

24 g de chocolate

superponen.

del

m ovim iento

Ondas superpuestas

Energía química

D irección

se

El

resultado

es

una

onda m ás grande.

Las crestas se corresponden con los valles.

Las ondas se anulan entre ellas

Cuando las ondas se encuentran, se interfieren unas con otras. Si dos ondas se superponen, sus crestas coinciden y se combinan para formar una onda más grande (interferencia constructiva). Si las ondas se contraponen, los valles cancelan las crestas y se anulan entre sí, no habiendo onda resultante (interferencia destructiva).

F U E R Z A

y

E N E R G Í A

E

400

La barra sujeta dos juegos de pesas de 200

N.

Las pesas se elevan cerca de 1 ,5 m del suelo.

Peso total de

Las

pesas alto

R

G

í

Las máquinas son en realidad «convertidores de energía»: cambian la energía de una forma a otra para realizar un trabajo. El automóvil está accionado por un motor de combustión interna que quema gasolina o gasoil. La energía química del combustible se convierte en energía cinética al mover los pistones que impulsan el automóvil. Una parte se pierde en forma de calor.

A

M ezcla de

La explosión im pulsa

com bustible

al pistón hacia ahajo.

y aire.

La energía quím ica

N,

en el com bustible se

Levantador de PESAS lo

E

Conversión de energía

Trabajo, potencia y eficiencia Se desarrolla trabajo cuando una fuerza mueve algo. El trabajo no puede hacerse sin energía. La energía proporciona la capacidad de realizar trabajo. Cuando se desarrolla un trabajo, la energía se transforma de una modalidad a otra. El ritmo al que este trabajo se realiza, o se transforma una energía en otra, se denomina potencia

N

alzadas

tienen

en

energía

Trabajo y potencia

potencial gravitatoria.

Cuando se levanta un gran peso, la potencia necesaria para elevar dicho peso se calcula multiplicando el peso por la altura a la que éste ha sido levantado, y dividiendo el resultado por el tiempo empleado en su levantamiento. De tal modo, si levanta 400 N a 1,5 m en dos segundos, la potencia son 300 W.

El levantador de pesas levanta las pesas en dos segundos.

Unidades SI El vatio (W) es la unidad de potencia del SI: 1 W es la conversión de una forma de energía de un julio a otra en 1 segundo. Un kilovatio (kW) son 1000 vatios, y un megavatio (MW) son 1.000.000 W.

Curiosidades • La eficiencia de una bombilla de 100 W es del 15%, porque 85 J de cada 100 se pierden en forma de calor.

El kilovatio-hora (kWh) mide el consumo de energía eléctrica: 1 kWh es la energía utilizada por un aparato de 1 kW al funcionar durante una hora.

• El primer motor de combustión interna fue construido por Etienne Lenoir, un ingeniero belga.

84

convierte

Eficiencia La eficiencia nos indica lo buena que es una máquina como transformadora de energía. Compara la energía que se le suministra a la máquina con la que ésta es capaz de desarrollar.

el pistón. El pistón se eleva,

Motor de combustión INTERNA

Máquina

Motor de gasolina de automóvil Cohete Locomotora de vapor

en energía

cinética al m over

expulsando los gases de escape, y el proceso com ienza de nuevo.

Entrega DE ENERGIA

15% sobre 15% 15%

Motor de reacción

20%

Locomotora diesel

35%

Locomotora eléctrica

35%

Central térmica de carbón

35%

Molino de viento

sobre 40%

Tren de levitación magnética

sobre 60%

Planta hidroeléctrica

80%

Bicicleta

90%

Ley de la conservación de la energía La energía no se crea ni destruye. La ley de la conservación de la energía afirma que la energía puede transformarse en otras formas, pero la cantidad total de energía siempre permanece constante. Esta ley se aplica incluso a las reacciones nucleares, tales como las que ocurren en el núcleo del Sol.

Ecuaciones de la energía

F U E R Z A

Y

E N E R G Í A

C A L O R

Y

T E M P E R A T U R A

__ El term óm etro indica que la

Calor y temperatura

El m edidor Joule m ide la

Tem peratura perm anece constante

energía necesaria para

durante la fusión del hielo.

CUANTA MÁS ENERGÍA tienen

las partículas de los objetos, a más temperatura se encuentran éstos. El calor es la energía cinética total de las partículas en movimiento de los objetos. La temperatura es la medida de la energía cinética media de las partículas.

fundir el hielo.

La altura del

líquido indica la

tem peratura.

El m edidor registra la tem peratura del

Termómetros

Pantalla de

cristal

líquido Resistencia sensible a la tem peratura en

filam ento.

Día a día los termómetros miden la temperatura en la escala de Celsius (o de Fahrenheit). Los termómetros líquidos se basan en una columna de mercurio o alcohol que se dilata cuando la temperatura aumenta. El termómetro electrónico mide la temperatura con una diminuta resistencia sensible al calor.

Resistencia sum ergida

Transform ador

Medición del calor latente Este experimento mide el calor necesario para derretir el hielo. Cuando las sustancias cambian de estado, por ejemplo, de sólido a líquido, absorben o ceden calor sin cambiar de temperatura. Este calor oculto se llama «latente».

Abanico de temperaturas Temperatura

la punta.

Ejemplo

14 millones °K (14 millones °C)

Núcleo del Sol

30.000°K (29.727°C)

Rayos

PIROMETRO

El pirómetro mide altas temperaturas. Apuntamos con él a un objeto caliente y brillante, y su filamento se calienta con una corriente eléctrica, hasta que el color se iguala al del objeto apuntado. La medida de la corriente eléctrica indica la temperatura.

Luz del objeto lum inoso Selector

Latón H ierro El latón se dilata m ás que el hierro, y así la lám ina se dobla y abre

Flujo de corriente eléctrica

de

tem peratura

Superficie del Sol Núcleo de la Tierra

calienta hasta que su color concuerda con el de la luz del objeto caliente.

El termostato regula la temperatura utilizando una lámina bimetálica realizada con hierro y latón. Estos metales sufren dilataciones diferentes, por lo que la lámina se dobla a medida que se calienta. A la temperatura requerida, la lámina abre un circuito eléctrico y desconecta una resistencia de calefacción.

El grado kelvin (°K) es la unidad de temperatura del SI. No hay valores negativos en la escala Kelvin. Esto se debe a que 0°K es el «cero absoluto»: la temperatura más baja posible, a la cual el movimiento de todas las partículas cesa. El cero absoluto nunca se ha llegado a conseguir.

Calor específico El calor específico (símbolo c) es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 kg de una sustancia l°Kelvin (o 1°C). Sustancia

Calor específico (J/kg/°K)

523°K (250°C)

Incineración de la madera

Agua

4.200

373°K (100°C)

Punto de ebullición del agua

Alcohol

2.400

331°K (58°C)

Temperatura más alta del aire registrada en la Tierra

Hielo

2.100

Nilón

1.700

El filam ento eléctrico se

TERMOSTATO

86

5.800°K (5.527°C) 4.000°K (3.727°C)

Unidades del SI

310°K (37°C)

Temperatura normal del cuerpo humano

Mármol

880

273°K (0°C)

Punto de congelación del agua

Hormigón

800

184°K (-89°C)

Temperatura más baja del aire registrada en la Tierra

Vidrio

630

Acero

450

43°K (-230°C)

Temperatura de la superficie de Plutón (el planeta más distante)

Cobre

380

0°K (-273,15°C)

Cero absoluto

Plomo

130

F U E R Z A

Y

E N E R G I A

Transmisión de calor

C A L O R

dem uestran cóm o se propaga el calor

La energía calorífica se traslada de los objetos o materiales calientes a otros más fríos. El calor viaja a través de los sólidos por un proceso llamado conducción, y a través de los fluidos (líquidos y gases) por conducción y convección. La materia también puede perder o ganar energía calorífica por radiación.

en el seno del líquido.

Celsius y fahrenheit Las temperaturas se dan en grados Celsius (°C) o Fahrenheit (°F). La escala Celsius está basada en el punto de congelación (0°C/32°F) y en el de ebullición del agua (100°C/212°F). La escala Kelvin se utiliza en trabajos científicos.

El agua caliente

Convección en el agua

coloreada flota

El agua caliente coloreada es menos densa que el agua fría que la rodea. El agua caliente sube a la superficie y cede calor a la atmósfera. A medida que se enfría se va hundiendo. Esta circulación o «corriente de convección», distribuye el calor en el seno del líquido.

hacia la superficie

Conductividad térmica

del tarro.

La conductividad térmica nos indica una medida de la transmisión de calor. Aquí, la temperatura de un material se eleva 1 °K (o 1°C) a través de 1 m.

La botella contiene agua caliente coloreada.

El

term óm etro

indica 18,7° C

Bloque de m etal a

Medición de la radiación de calor Sustancia

El

term óm etro

indica

Las partículas del bloque m etálico

El calor de los pies

absorben la radiación de la bom billa.

se transfiere al suelo

de

3 1 °C

CONDUCTIVIDAD (W/m/°K)

Cobre

385

Oro

296

Hierro

sobrem esa

T E M P E R A T U R A H ueco

de

la

pared

relleno

Aislante

de espum a de poliestireno.

de

fibra

de

vidrio

entre las vigas del tejado

Aislantes Los materiales que son pobres conductores del calor se denominan aislantes. Incluyen a los plásticos, madera, corcho, fibra de vidrio y aire. Los arquitectos y constructores recurren a los aislantes en la construcción de viviendas y oficinas para reducir las pérdidas de calor a través de paredes, tejados, techos, ventanas y suelos. Se dice de un material que es buen aislante si tiene un «valor U» muy bajo. Cám ara de aire entre las hojas de cristal de una ventana

M oqueta espesa

con doble acristalam iento.

sobre el suelo.

Coeficiente u de conducción de calor

tem peratura am biente

A temperatura ambiente, todos los objetos emiten radiación infrarroja: los objetos más calientes emiten más radiación que los fríos. La lámpara de la ilustración emite mucha radiación; ésta viaja a través del aire y calienta el bloque metálico y bajo ella.

Lám para

Y

Los rem olinos coloreados

72

Cristal

1

Ladrillo

0,6

Agua

0,6

Nilón

0,25

y los enfría.

Conducción Cuando sólo una parte de una sustancia se calienta, sus partículas vibran con más rapidez. «Conducen» el calor (transmiten su energía calorífica) al chocar con las partículas vecinas.

88

Madera

0,15

Hormigón

0,1

El coeficiente U (W/m2/°K) es una medida del flujo de calor en vatios (W) por metro cuadrado (m2) de un material cuya temperatura salta 1°K (o 1°C).

Material

Coeficiente U (W/m2/°K)

Techo sin aislamiento

2,2

Techo con aislamiento

0,3

Pared simple de ladrillo

3,6

Con doble ladrillo y cámara de aire

1,7

Con doble ladrillo rellena de espuma

0,5

Ventana con vidrio único

5,6

Con doble vidrio y cámara de aire

2,7

Lana

0,040

Suelo sin moqueta

1

Aire

0,025

Suelo con moqueta

0,3

F U E R Z A

Y

F U E N T E S

E N E R G I A

Energía hidroeléctrica

Fuentes de energía La MAYOR PARTE DE LA ELECTRICIDAD mundial proce combustión de combustibles fósiles. Pero las existencias de estos combustibles son limitadas, y sólo se reponen tras millones de años. En el futuro, deberemos confiar en las fuentes de energía renovables, tales como el viento, la energía solar y la hidroeléctrica. La chim enea deja escapar el hum o

y el gas.

La energía hidroeléctrica es una fuente de energía eficiente y no contaminante. Las centrales hidroeléctricas suelen estar bajo las presas, en la cabecera de un embalse. El agua que se precipita desde arriba hace girar las turbinas de la central a gran velocidad. Las turbinas están conectadas con generadores que producen electricidad.

D E

E N E R G Í A Cable de alta

Transform ador tensión Presa G enerador de electricidad El girar

agua las

hace aspas

de la turbina.

El calor transform a

El

el agua en

vapor

a

alta

presión

Tubería

de

enfriam iento

se quem a para

Vapor condensado

calentar el agua que circula por las tuberías.

Curiosidades • La energía hidroeléctrica abastece un 3% de las necesidades energéticas mundiales. • Un gramo de carbón contiene unos 25 kJ de energía, y un gramo de petróleo unos 45 kJ.

Combustibles fósiles

electricidad

vapor.

El carbón triturado

El agua se acum ula tras la

G enerador de

hace girar la turbina.

Central térmica DE CARBÓN

gran fuerza.

Energía solar Las células fotoeléctricas transforman la energía de la luz del Sol en electricidad. Para generar cantidades suficientes de electricidad, las centrales de energía solar hacen uso de cientos de enormes paneles reflectantes que concentran la luz solar en grandes células fotoeléctricas.

Fuentes de energía a través del tiempo

Gas

Pararrayos

natural

Carbón Viento y agua Caballo

Las palas pueden

Petróleo

m Torre

de largo.

• La mayor parte de la humanidad todavía enciende fuegos.____

El agua fluye con

del em balse.

Combustibles Uranio

Energía eólica Una turbina eólica es una alta torre con unas grandes palas de hélice que transforman la energía cinética del viento en electricidad. Un parque eólico es un gran grupo de turbinas eólicas. tener hasta 20

presa construida en el extrem o

Tras muchos millones de años, la temperatura y la presión extremas bajo la superficie de la Tierra convirtieron los restos enterrados de seres vivos en carbón, petróleo y gas. La combustión de estos materiales en las centrales libera energía. Esa energía impulsa una turbina, la cual a su vez impulsa un generador para producir electricidad.

Combustibles BIOMASA

Al girar por efecto del viento las palas accionan un generador de electricidad.

90

Hoy

Este gráfico indica cuándo las diferentes fuentes de energía y tecnologías se utilizaron por vez primera. Durante la mayor parte de la historia de la humanidad, nos servíamos de los vientos, del agua y de la fuerza muscular, y quemábamos combustibles biomasa, (como la madera). Hoy, las fuentes de energía no renovables, como el carbón y el petróleo, se usan con mucha más frecuencia.

F U E R Z A

Y

E N E R G I A

F U E N T E S

Energía nuclear

D E

E N E R G Í A

Fusión nuclear

Los átomos son pequeños almacenes de energía. Esta energía procede de fuerzas muy intensas que mantienen a las partículas en el centro, o núcleo de un átomo. Cuando el núcleo de un átomo se divide (fisión) o cuando dos núcleos se funden conjuntamente (fusión) se libera una tremenda energía «nuclear». Los reactores nucleares se sirven de esta energía para N eutrón producir electricidad.

Reacciones de fusión

N úcleo de

• La fusión ocurre sólo con isótopos de elementos ligeros, como el hidrógeno. • A altas temperaturas, los núcleos de hidrógeno se mueven con gran rapidez y chocan entre ellos. • Se forma un núcleo de helio, y se liberan neutrones y calor. SIMBOLO INTERNACIONAL DE ADVERTENCIA DE RADIACTIVIDAD

N úcleo de

hidrógeno

hidrógeno con

con

dos

neutrones (tritio)

un neutrón (deuterio)

Se form a un núcleo de helio.

Los núcleos colisionan y se funden entre si

Fisión nuclear

Reacciones de fisión

Energía

N úcleo del átom o de uranio-235

N eutrón

Potentes

• La fisión tiene lugar en algunos isótopos de elementos pesados como el uranio y plutonio. • El núcleo se divide, golpeado por neutrones, liberando calor y más neutrones. Los neutrones pueden golpear otros núcleos y producir una cadena de reacciones de fisión.

liberada desprendido

electroim anes

Reactor de fusión

El plasm a N úcleo

circula en

del reactor

Todavía no se ha construido un reactor de fusión práctico. Los reactores experimentales «tokamak» contienen un tubo circular o toro. La fusión tiene lugar en el tubo, cuando el plasma de hidrógeno se calienta a muy alta temperatura. Unos potentes electroimanes confinan el plasma.

el toro

Energía desprendida

Curiosidades El agua del El núcleo se divide en dos

intercam biador de calor se convierte

en

vapor.

Reactor de fisión En el núcleo del reactor tiene lugar una reacción en cadena, cuando las barras de combustible de uranio-235 sufren un bombardeo de neutrones. El líquido refrigerante disipa el calor del núcleo y lo elimina en un intercambiador de calor, donde se utiliza para producir vapor para los generadores de energía.

92

Armas nucleares

N ube de

La tremenda potencia de las armas nucleares procede de la reacción de fisión o fusión. La reacción nuclear de la bomba cambia una pequeña cantidad de masa en una gran cantidad de energía destructora.

fuego y hum o en form a de seta

• El primer reactor nuclear fue construido por el físico Enrico Fermi en los EE.UU. en 1942. • En el núcleo del Sol y de otras estrellas tienen lugar fusiones nucleares. • Los EE.UU. cuentan con más reactores nucleares (109) que cualquier otro país del mundo.

R A D I A C I Ó N

L U Z

Radiación electromagnética La LUZ ES UNA de varias formas de energía ondulatoria, llamada radiación electromagnética. Esta radiación también incluye a las ondas radioeléctricas, microondas, rayos infrarrojos, rayos ultravioletas, rayos X y rayos gamma: su conjunto forma el espectro electromagnético.

TABLA DE RAYOS X APROVECHABLES Aplicaciones

Longitud de onda (m) DE LOS RAYOS X

3 X 10-13

Destrucción de cáncer profundos

3 x 10-12

Radiogafías del tórax

1,8 x 10-11

Inspección de soldaduras en tuberías

6 x 10-9

Enfermedades de la piel

Luz FILTRADA

Rayos

ultravioleta Luz

Longitud de onda

Fotón pe luz ROJA

eléctrico

A m ayor D irección

de la onda Campo

longitud de onda, m enos energía.

m agnético

Ondas

(UV )

visible

La radiación electromagnética como ondas y partículas Campo

Fotón de luz

AZUL

A

Rayos infrarrojos (RI)

m enor

de onda, más energía. longitud

Absorción de algunos Rl

Partículas La radiación electromagnética viaja también en forma de corriente de partículas, llamadas fotones, que son pequeños «paquetes de energía» desprendidos cuando las partículas cargadas pierden energía.

La radiación electromagnética viaja en forma de ondas de campos magnéticos y eléctricos oscilantes (fluctuantes). Tales campos están posicionados en ángulo recto entre sí y respecto a la dirección de la onda. Son transversales.

E L E C T R O M A G N E T I C A

algunos UV

LUZ FILTRADA

La radiación electromagnética nos llega desde el Sol, las estrellas y las galaxias. La atmósfera terrestre absorbe la mayoría de formas de radiación electromagnética, pero permite que la atraviesen las ondas de radio y de luz. Algunas longitudes de RI y de UV son filtradas antes de llegar a la superficie.

TV

Horno microondas

Microondas

Ondas radioeléctricas

Placa de infrarrojos Rayos infrarrojos ( R I )

de rayos uv Rayos ultravioleta (UV )

• Transfieren energía de un sitio a otro.

• No necesitan un medio material para viajar en su seno. • Viajan a 3x108 m/s en el vacío. • Son ondas transversales. • Pueden ser polarizadas. • Pueden producir efectos de interferencia. • Pueden reflejarse y refractarse. • Pueden difractarse. • No contienen cargas eléctricas.

Espectro

(cama solar Radio

ELECTROMAGNÉTICAS Todos los tipos de radiación electromagnética:

• Pueden ser emitidas y absorbidas por la materia.

Absorción de rayos

Propiedades de las ondas

DE RAYOS X Rayos X,

Explosión nuclear

ELECTROMAGNÉTICO

Rayos gam m a

A este lado del espectro las ondas tienen

__más energía. Longitud de ONDA (EN METROS)

96

F U E N T E S

L U Z

Filam ento

Fuentes luminosas

INCANDESCENCIA

incandescente

energía. Se obtiene de dos maneras: incandescencia o luminiscencia. La incandescencia es la emisión de luz por objetos calientes. La luminiscencia es la emisión de luz sin la intervención del calor.

La LUZ ES una FORMA de

G as

no

reactivo La

bom billa

enrosca

en

L U M I N O S A S

se el

Una bombilla incandescente contiene un delgado filamento de tungsteno. Una corriente eléctrica calienta el filamento hasta que alcanza la incandescencia y desprende luz. La bombilla está llena de un gas no reactivo, como el argón, para evitar la combustión del filamento, lo que sucedería con el aire.

Curiosidades • La luciérnaga desprende luz para atraer a su pareja. • Los hombres prehistóricos utilizaban lamparas de piedra en las que ardían grasas animales.

• Laser son las siglas en inglés de: amplificación de luz por emisión estimulada de radiación.

portalám paras. El rayo sale a través del El

electrón

suelta

un

fotón

La luz se refleja en los

al

espejo parcialm ente azogado.

LUZ LÁSER Un láser produce una luz pura de calor y energía intensos. La luz de un tubo espiral «excita» los átomos de un tubo central del «medio de laserización». La luz que estos átomos «excitados» producen se refleja entre los extremos de espejo del tubo, y escapan en forma de intenso rayo láser.

dos extrem os del tubo.

retornar a su órbita original.

Fotones

La LUZ DEL SOL

Si un átomo adquiere energía, los electrones que están en órbita alrededor del núcleo saltan a órbitas más altas, o «niveles de energía». Cuando los electrones retornan a sus órbitas originales, liberan fotones de luz u otras radiaciones electromagnéticas.

La mayor parte de la luz que nos llega del espacio procede del Sol. La luz del Sol se emite por unas capas de gases a altas temperaturas en incandescencia. Su luz viaja a través del espacio a 299.792,5 km por segundo. LUMINISCENCIA

Tom a de

EJEMPLO

Tipo

Triboluminiscencia Luz emitida por fricción

Bioluminiscencia Emisión de luz sin calor por los seres vivos

Fosforescencia La emisión gradual de energía almacenada en forma de luz

Fluorescencia La rápida emisión de energía luminosa

Cuando algunos cristales, como el azúcar, se trituran súbitamente, la fricción les hace emitir luz durante un breve instante Insectos como las luciérnagas poseen compuestos químicos que liberan energía luminosa Las pinturas que brillan en la oscuridad absorben energía luminosa y la liberan lentamente. La energía luminosa se nota especialmente en la oscuridad. Los tintes fluorescentes a menudo contienen productos químicos que absorben brevemente la luz ultravioleta y luego la emiten como luz visible.

98

Fotones

alim entación eléctrica de luz

Unidades SI • La candela (cd) es la unidad de brillo (intensidad luminosa) del SI. Una fuente de luz de 1 candela es aproximadamente igual al brillo de una vela ardiendo. • El lux (lx) es la unidad de iluminación del SI. Una luz de 1 candela ofrece una iluminación de 1 lux a una superficie de 1 m2 a una distancia de 1m.

Tubo de descarga Un tubo de descarga es un tubo relleno de gas dotado de dos electrodos. Cuando una corriente eléctrica tuerte fluye entre los electrodos, el vapor desprende, o «descarga», luz. La mayoría de las luces de alumbrado público usan tubos de descarga de vapor de sodio.

El vapor de sodio de los tubos de descarga brilla

con luz am arilla anaranjada.

Electrodo

Lampara DE VAPOR

DE SODIO

LUZ

LUZ Y MATERIA

Reflexión interna

Reflexión interna de la luz

parecer brillante, opaco o transparente, dependiendo de si refleja, absorbe o transmite los rayos de luz. La luz puede curvarse al atravesar materiales, creando ilusiones ópticas, como los espejismos.

Sustancia

Si un rayo de luz penetra en un material con un ángulo lo suficientemente pequeño (llamado ángulo crítico), se refracta tanto que no es capaz de emerger del material, por lo que se refleja en su interior.

CUALQUIER MATERIAL puede

translúcido (lechoso)

Los

Transparente

contra

(claro)

rayos los

Ángulo crítico

Agua

49°

Cristal

42°

Diamante

24°

rebotan lados

en Tierra

Sol

ángulos pequeños .

Rayos de luz solar

O paco

Som bra

(m ate)

La luz atraviesa la materia La luz atraviesa los materiales transparentes. Los materiales opacos bloquean su paso. Los materiales translúcidos la dejan pasar, pero la difuminan. Los rayos de luz rebotan sobre la superficie de los materiales reflectantes.

Luna Reflectante

Penum bra

(brillante)

N o escapa nada de luz al reflejarse el rayo.

Indice de refracción

El rayo alcanza el extrem o con un ángulo m uy

Cuando un rayo de luz atraviesa un material, su velocidad cambia. Si penetra en el material formando ángulo, la diferencia de velocidad «refracta» o curva el rayo de luz. El índice de refracción indica cuánta luz refleja un material:

Ángulo

pronunciado.

de

Eclipse solar Durante un eclipse solar, la Luna, al ser opaca, proyecta su sombra sobre la Tierra. Ningún rayo alcanza el centro de la sombra (umbra); algunos rayos alcanzan su área externa (penumbra).

incidencia. Los Fuente lum inosa

Ángulo

rayos

viajan

en

recta a través de aire frío. Prim er

línea O bservador

filtro

polarizado

de Segundo filtro

refracción

Los rayos se

polarizado

curvan al

Se

Material

ÍNDICE DE I REFRACCIÓN Velocidad de la luz (km/s)

Aire

1,00

300.000

Agua

1,33

225.000

Metacrilato

1,40

210.000

Cristal (variable)

1,60

185.000

Diamante

2,40

125.000

100

El índice de refracción se puede calcular también a partir de los ángulos del diagrama, mediante la ecuación conocida como la Ley de Snell:

Luz

polarizada

Los rayos de luz vibran en muchos planos diferentes. Un filtro polarizado permite el paso de sólo la luz que vibra en un plano. Un segundo filtro puede utilizarse para impedir el paso de la luz resultante. Las gafas de sol pueden utilizar filtros polarizados para reducir el deslumbramiento.

una

imagen invertida

no

LUZ POLARIZADA

forma

atravesar aire caliente.

Espejismo La luz se refracta al pasar a través de las capas de la atmósfera a distintas temperaturas. Los rayos de luz que viajan desde la palmera hasta el suelo se curvan hacia arriba por efecto del aire caliente, por lo que al observador le da la sensación de que la palmera se refleja en agua.

L E N T E S

L U Z

Lentes y espejos

Y

E S P E J O S

Imagen virtual

LAS LENTES SON MATERIALES transparentes y curvos que hacen converger (reunir) o diverger (esparcir) los rayos de luz. Los espejos curvos pueden también hacer converger o diverger Imagen los rayos de luz.

Reflejo

Ley de reflexión Ángulo

en

incidencia

La im agen

el espejo

Espejo plano Rayos incidentes

de

Ángulo

de

reflexión

virtual aparece detrás Rayo

del espejo

de luz

Espejo plano

O bjeto

am pliada

De acuerdo con la ley de la reflexión, el ángulo con el que un rayo de luz se refleja sobre una superficie (ángulo de reflexión) es igual al ángulo con el que el rayo de luz incide sobre la superficie (ángulo de incidencia).

Recorrido

Lupa

Ojo

de la luz percibido por

Im agen

Rayos reflejados

el cerebro.

opuesta

Ampliación El sello parece mucho más grande cuando se sostiene sobre él una lente convexa, curvada hacia el exterior. La lente curva los rayos de luz desde el sello hacia el interior antes de alcanzar nuestros ojos. Nuestro cerebro interpreta que los rayos han viajado en línea recta, como si procedieran de un sello mucho más grande. Cuanto más curva sea una lente, más amplía un objeto.

Cuando vemos un objeto en un espejo, los rayos de luz del objeto se reflejan en la superficie del espejo y llegan a nuestros ojos. Nuestro cerebro interpreta que los rayos han viajado en línea recta hasta nuestros ojos, por lo que vemos una imagen «virtual» que parece estar tras el espejo.

AMPLIACION CON UNA GRAN LENTE CONVEXA

Espejos convexos y cóncavos Convexo

Lentes convexas y cóncavas Convexa

D istancia

Cóncava

virtual en el foco principal

D istancia

focal

Im agen

Rayos reflejados

focal

Imágenes reales Foco

Reducción Una lente cóncava, curvada hacia el interior, ofrece una imagen reducida de los cuadros. Separa los rayos de luz de los cuadros, pero nuestro cerebro interpreta que han viajado en línea recta, como si procedieran de cuadros mucho más pequeños.

Foco principal principal

La lente convexa reúne los rayos paralelos de luz en el foco principal. La distancia desde ese punto hasta el centro de la lente es la distancia focal. La lente cóncava separa los rayos de luz de manera que parecen proceder de un foco principal tras la lente. La distancia focal es la distancia que existe desde ese punto hasta el centro de la lente.

102

Las lentes convexas y los espejos cóncavos pueden enfocar la luz de manera que compongan una imagen invertida «real» sobre una superficie. En un proyector de películas, una película invertida es atravesada por una luz brillante, con el fin de que la imagen aparezca correctamente en la pantalla.

Rayos D istancia incidentes focal Im agen real

Cóncavo Rayos

en el foco principal

reflejados

Rayos incidentes

D istancia

— focal

Cuando los rayos de luz paralelos inciden sobre un espejo convexo curvado hacia el exterior, se dispersan al ser reflejados. Nuestro cerebro interpreta que los rayos proceden de un foco principal situado tras el espejo. Los rayos de luz paralelos que inciden sobre un espejo cóncavo curvado hacia el interior, se reflejarán de manera que converjan en un foco principal situado frente al espejo.

L U Z

E S P E C T R O

Espectro visible

Color del cielo

La LUZ SON ONDAS de radiación electromagnética. La «luz blanca» es una mezcla de muchos colores de luz distintos, cada uno con su propia frecuencia y longitud de onda. Estos colores componen el espectro visible. Nuestros ojos y cerebros detectan colores reconociendo las diferentes longitudes de onda de la luz visible. Descomposición de la luz Un rayo de luz blanca se refracta (curva) al entrar y salir de un prisma. El prisma refracta diferentes longitudes de onda de luz en diferentes cantidades, descomponiendo el rayo de luz blanca en el espectro visible. Los átomos emiten luz en el

Los átom os a m ayor

extremo rojo del

tem peratura em iten

espectro.

luz naranja

V I S I B L E

LUZ, COLOR Y CALOR Los átomos de un objeto caliente emiten rayos infrarrojos y algo de luz roja. A medida que el objeto se calienta más, sus átomos emiten en longitudes de onda cada vez más cortas, que le dan un color naranja y luego amarillo. Los objetos que están muy calientes emiten todo el espectro, y se ven blancos.

La

luz

roja

La

se dispersa

solar la

atm ósfera

Colores de difracción Toda forma de energía ondulatoria se «difracta», o se dispersa, cuando pasa a través de ranuras o alrededor de objetos. Una retícula de difracción es un vidrio grabado con finas rendijas. Los rayos de luz se difractan a medida que atraviesan las rendijas, y las interferencias entre los rayos curvados generan cintas de luz distintos colores.

Cielo azul

Cielo rojo

El Sol desprende luz blanca pura, que se difunde cuando penetra en la atmósfera terrestre a causa de las moléculas de aire. La luz azul se difunde más que la de los demás colores y hace aparecer el cielo de color azul.

Cuando el Sol del ocaso se halla muy bajo en el cielo, la luz del extremo azul del espectro se ha dispersado. El Sol se ve de color rojo anaranjado porque los colores de ése extremo del espectro alcanzan nuestros ojos, pero los colores azules se pierden.

COLORES: LONGITUDES DE ONDA Y FRECUENCIAS Las longitudes de onda y las frecuencias de los distintos colores varían de acuerdo con la energía que transportan. Por ejemplo, la luz roja tiene menos energía que la luz violeta.

Si se calientan todavía m ás, los átom os em iten luz am arilla

luz

atraviesa

Los átom os m ás calientes em iten luz blanca.

Color

Arco iris primario El arco iris se ve cuando llueve copiosamente y el Sol está detrás de nosotros. Al atravesar los rayos solares las gotas de agua en el cielo, éstas actúan a modo de pequeños prismas. La luz blanca se descompone en un espectro en el interior de las gotas y se refleja como un arco de colores.

105

LONGITUD (M)

FRECUENCIA (Hz)

Violeta

3,9-4,5 X 10 -7

6,7-7,7 X 10 14

Azul

4,5-4,9 X 10 -7

6,1-6,7 x 10 14

Verde

4,9-5,8 x 10 -7

5,3-6,1 x 10 14

Amarillo

5,8-6,0 x 10 -7

5,1-5,3 x 10 14

Naranja

6,0-6,2 x 10 -7

4,8-5,1 x 10 14

Rojo

6,2-7,7 x 10 -7

3,9-4,8 x 10 14

L U Z

E S P E C T R O

Mezclas de colores

EL PROCESO SUSTRACTIVO

Amarillo

Absorción de azul, reflexión de rojo y verde

Las pinturas, tintes, tintas y los objetos coloreados, adoptan sus colores específicos porque absorben algunas longitudes de onda de luz, pero reflejan otras. A esto se denomina proceso sustractivo. En el proceso aditivo, se crean colores mezclando luz de distintos colores. Cada proceso posee tres colores puros «primarios», que no pueden Rojo y obtenerse mezclando otros colores.

V I S I B L E

Los colores primarios sustractivos son el rojo magenta, azul cian y amarillo. La tinta amarilla absorbe (o «sustrae») luz azul de la luz blanca, y refleja luz roja y verde, que el cerebro interpreta como amarilla. Rojo, verde y azul son los colores sustractivos secundarios. El amarillo mezclado con el azul cian absorbe la luz azul y la roja, y resulta verde.

Absorción de rojo,

reflexión de azul y verde

Azul

Sólo se refleja

CIAN

el verde. azul

dan Absorción de

lugar al m agenta.

todos los Rojo, azul y verde dan lugar al blanco.

Luz ROJA El proceso aditivo

colores, aparece negro.

Sólo se

Los colores aditivos primarios son el rojo, verde y azul. De la mezcla de los tres resulta la luz blanca. Cuando dos colores primarios se mezclan, el ojo ve una mezcla de colores que el cerebro interpreta como un único color, llamado color secundario. En el proceso aditivo, los colores secundarios son amarillo, azul cian y rojo magenta.

refleja el azul.

Sólo se refleja el rojo.

Absorción del verde,

MAGENTA

reflexión del rojo y del azul.

Impresión a cuatro colores

Luz AZUL

Luz VERDE Rojo

y

verde

dan Azul y verde dan

lugar al am arillo.

lugar al azul Bajo

luz

blanca,

las

zapatillas

reflejan sólo luz roja y absorben todos los dem ás colores.

Luz BLANCA

Bajo

la

luz

azul,

los

pigm entos

absorben la luz azul y las zapatillas parecen casi

negras

Luz AZUL

rojos

Amarillo

Rojo magenta

Filtros de color Los filtros de color absorben algunos colores, pero dejan pasar otros. Un filtro azul colocado sobre un foco produce luz azul. El filtro absorbe las zonas verdes y rojas del espectro, y deja pasar sólo la luz azul. Estas zapatillas se ven de una forma muy diferente bajo luz azul.

Negro

El negro se aplica

Impresión a cuatro colores

com o un color

La impresión en color reproduce una imagen en amarillo, magenta y cian. Cuando se superponen, estos tres colores reproducen todos los colores de la imagen original. La imagen se sobreimprime con negro para resaltar más los contornos. Se necesita una plancha de impresión distinta para cada color.

distinto.

La sobreim presión de las tintas reproduce la

Imagen impresa

im agen a todo

color.

106

Azul cian

cian.

L U Z

I N S T R U M E N T O S

Instrumentos ópticos

Los binoculares se componen de dos telescopios refractores compactos y unidos entre sí. Cada telescopio contiene dos prismas. Los prismas reflejan los rayos de luz de un objeto distante para formar una imagen, que puede ser enfocada con una lente ocular.

ajustable.

LOS TELESCOPIOS nos facilitan la contemplación de las distantes estrellas, mientras que los microscopios nos permiten examinar los objetos más diminutos con gran detalle. Los instrumentos ópticos utilizan lentes y espejos para mostrarnos un mundo que sería totalmente imposible de ver a simple vista.

Ó P T I C O S

Binoculares prismáticos

Lente ocular

Lente

Los prism as alargan la

ocular

distancia recorrida por Los prism as « pliegan » la

Visor

los rayos de luz. im agen, y reducen el tam año de los binoculares. Se pueden

Tipos de telescopio

El prism a refleja

seleccionar lentes

la luz.

de objetivo para distintas

El segundo espejo refleja

am pliaciones.

la luz hacia el ocular.

Rayos

de

luz

de la fuente

Espejo M uestra

en

cóncavo La lente

portaobjetos

ocular aum enta la Im agen im agen. El espejo refleja la luz hacia la m uestra.

La

luz

entra

en la lente.

Telescopios reflectores El telescopio reflector forma una imagen utilizando un gran espejo cóncavo que reúne y concentra los rayos de luz.

Endoscopio

Rayos

La lente ocular

de

luz de la

aum enta la

fuente

im agen.

Microscopio compuesto El microscopio compuesto tiene más de una lente. Primero, aumenta el objeto con la potente lente «objetivo». A continuación, la imagen ampliada se aumenta en la lente «ocular», que actúa como una simple lupa. El microscopio puede estar dotado de otras lentes para ofrecer más claridad.

CÁMARA REFLEX En una cámara reflex SLR (Single-Lens Reflex), la luz entra en la cámara a través de la lente principal. Un espejo refleja la luz en un prisma y la dirige hacia el visor. Al pulsar el botón del obturador, se eleva el espejo, con lo que la luz impresiona la película en la parte de atrás de la cámara.

La lente Im agen

objetivo recoge la luz.

Espejo

Los médicos miran en el interior del cuerpo por medio de un largo tubo llamado endoscopio. Un extremo del tubo se introduce en el cuerpo. Las fibras ópticas del tubo conducen luz al área bajo examen, y la transportan de vuelta al ocular, donde se observa la imagen. El m édico ve la im agen

en

Ampliación Un telescopio con una ampliación de 100x forma una imagen que es 100 veces mayor que cuando se observa el objeto sin el telescopio. La ampliación equivale a la distancia focal de la lente del objetivo dividida por la distancia focal del ocular.

La luz se refleja y vuelve por las fibras ópticas.

el ocular.

Telescopios refractores El telescopio refractor utiliza una lente convexa para refractar la luz y formar una imagen invertida de un objeto distante.

La

luz

entra

en

el

a través de fibras ópticas.

108

Película

cuerpo

SONIDO

O N D A S El

Ondas sonoras

Composición de las ondas sonoras

vibra

Baja

S O N O R A S

rebota

CÓMO FUNCIONA EL SONAR

en la pared.

Las ONDAS SONORAS SON VIBRACIONES que tienen lugar en un material al ser recorrido por el sonido. Cuando oímos hablar a alguien, nuestros oídos detectan ondas sonoras en el aire de nuestro entorno, producidas por las cuerdas vocales de la persona que habla. Las ondas sonoras pueden viajar a través de sólidos, líquidos y gases, pero no en el vacío, porque no existen partículas de materia que transmitan las vibraciones.

El diapasón

eco

El sistema de sonar de los barcos emite ondas de ultrasonidos, que tienen una frecuencia superior a los 20.000 Hz. Las ondas sonoras rebotan en los objetos sumergidos. El tiempo que transcurre entre la emisión de la onda y la recepción del eco indica la profundidad del objeto.

Dar palmadas produce ondas sonoras.

Im pulso ultrasónico reflejado por el naufragio

El ECO Los sonidos rebotan sobre las superficies duras y retoman a su lugar de origen en forma de eco. La mayoría de los sonidos que oímos son una combinación del sonido original y ecos que rebotan

Alta presión

presión

(compresión)

(rarefacción)

LA VELOCIDAD DEL SONIDO

Moléculas de aire COMPRIMIDAS

El sonido viaja a diferentes velocidades a través de materiales distintos. El sonido también viaja a mayor velocidad a mayores temperaturas. A menos que se especifique, todas las cifras se dan a 20°C. Sustancia

Velocidad m/s

Veloc. Pies/s

Caucho

54

177

Dióxido de carbono

260

853

Aire a 0°C

331

1.086

Aire a 20°C

343

1.125

Aire a 100°C

390

1.280

Corcho

500

1.640

Agua a 0°C

1.284

4.213

Hidrógeno

1.286

4.219

— Las ondas sonoras se acum ulan

El m icrófono recoge

las La pantalla indica cam bios

Compresiones

de presión en las ondas sonoras

Rarefacciones Cuando las espigas se mueven hacia el interior, el aire se expande, y origina una zona de baja presión, llamada rarefacción. Estas rarefacciones y compresiones viajan a través del aire como ondas sonoras.

La vibración de un diapasón produce variaciones de presión en el aire a su alrededor. A medida que las espigas se separan hacia el exterior comprimen el aire y crean un área de alta presión; es decir, una compresión.

112

La onda s o n o ra s e

ondas sonoras

Moléculas de aire RAREFAI TAS

cuando un

lib e ra c u a n d o

reactor viaja a la velocidad del sonido.

e l re a c to r ro m p e la

Agua a 20°C

1.483

4.865

Madera

3.850

12.631

Acero

5.060

16.601

b a rre ra d e l s o n id o .

ESTAMPIDO SONICO Cuando un avión rompe la barrera del sonido, las ondas sonoras se acumulan frente al avión. El sonido forma una enorme barrera de choque. Se puede oír en tierra como un «estampido sónico».

O N D A S

S O N I D O

Medición del sonido

S O N O R A S

Ejemplos en la escala de decibelios

El volumen de los sonidos depende de los cambios de presión. A mayor diferencia de presión entre el punto máximo y el mínimo de la onda sonora, más amplitud tendrán los sonidos. La amplitud de los sonidos se mide en decibelios. El tono de los sonidos indica lo agudo o grave de los mismos, lo cual depende de la frecuencia (vibraciones por segundo) de las ondas sonoras. La frecuencia de las ondas, incluyendo las sonoras, las de radio y la luz, se miden en herzios (Hz).

Amplituden DECIBELIOS(dB)

Amplitud PASCALES(Pa)

en

Potencia(intensidad) ENVATIOSPORMETRO CUADRADO(W/M2)

SONIDO

140

300

100

Daño irreversible al oído; cohete despegando a 100 m de distancia

120

30

1

Umbral de dolor, avión a reacción despegando a 100 m de distancia

100

3

10-2

Concierto de rock

80

0,3

10 -4

Portazo en una habitación; tráfico congestionado en la calle

60

0,03

10 -6

Conversación normal

30

0,0009

10 -9

Gente susurrando a 1 m de distancia

10

0,00009

10 -11

Hojas al caer a 1 m de distancia

0

0,00002

10 -12

Umbral del oído humano; sonidos casi inaudibles

Formas de onda Ondas sonoras Presión normal

Máximo o punto más alto (alta

punto más bajo

presión)

(baja presión)

Depresión o

La forma de la onda sonora se traza sobre un gráfico para su observación. Las crestas y valles de la forma de la onda corresponden con las zonas de alta presión (compresiones) y baja presión (rarefacciones) de la onda sonora.

Sonidos suaves La forma de onda producida por un sonido quedo muestra pocas diferencias entre las regiones de alta y baja presión.

SONIDOS FUERTES Cuando un sonido es fuerte, la diferencia entre las regiones de alta y baja presión se hace mucho mayor.

Sonidos animales La mayoría de animales oyen más frecuencias de sonidos de las que son capaces de articular. Comparado con muchos animales, el rango de sonidos producido por los humanos es muy limitado. Los sonidos emitidos por debajo del umbral de audición se llaman infrasonidos. ElHOMBREGENERA SONIDOSENTRE 85-1100 Hz YOYE SONIDOSENTRE 20-20.000 Hz

Sonidos con tono grave La forma de onda de los sonidos con tonos graves resulta tener pocas ondas por segundo, porque es de baja frecuencia.

SONIDOS CON TONO AGUDO A medida que aumenta el tono, la frecuencia aumenta y la forma de la onda muestra más ondulaciones por segundo.

114

Elsaltamontes PRODUCESONIDOS ENTRE 7000-100.000 Hz YOYEENTRE 100-15.000 Hz

Elmurciélagogenera SONIDOSENTRE10.000120.000 Hz YPUEDE OÍRSONIDOSENTRE 1000 y120.000 Hz

Los LADRIDOS DELPERRO ESTÁNENTRE LOS4501080 Hz YOYE ENTRELOS 15-50.000

El DECIBELIO La amplitud sonora se mide en decibelios. Su escala es logarítmica, lo que significa que un incremento de 10 dB multiplica la intensidad diez veces. Así, un incremento de 20 dB corresponde a un sonido 10 x 10 = 100 veces más fuerte.

O N D A S

s o n i d o Boquilla

S

O

N

O

R

A

S

Orificios

Calidad del sonido Si tocamos la misma nota al piano y en la guitarra, las notas tienen diferente sonido, porque poseen un «timbre» o calidad distinta. El timbre depende del modo en que vibra un instrumento. El «tono» se utiliza para describir lo grave o agudo que es un sonido. La «acústica» de un edificio se refiere a la manera de preservar los sonidos que se generan en su interior.

Pico de máxima

Vibraciones en el interior de la flautaColumna

Las ondas sónicas más

Timbres musicales El timbre de un instrumento depende de cómo cambia la presión del aire de las ondas sonoras que genera. Las ondas sonoras del diapasón producen suaves cambios en la presión, que le otorgan un tono delicado. Las ondas sonoras del violín generan cambios abruptos de presión, que dan un timbre más duro al instrumento.

simples tienen un

Soplar a través de una flauta hace vibrar la columna de aire de su interior. El tono de la nota depende de la longitud de la columna. Cuanto más corta sea la columna, más rápido vibra y más alta es la nota producida. La longitud de la columna, y por consiguiente el tono, se modifica abriendo o cerrando los orificios practicados a lo largo de la flauta.

de aire

Diapason

Los suaves cambios

Flauta

Panel de absorción de sonidos

Panel que refleja el sonido del escenario

aportan un

Escalas musicales

timbre muy

Una escala musical es una secuencia de notas agradables que se incrementa gradualmente y regularmente en tono o frecuencia. La nota más baja de la escala tiene la mitad de la frecuencia de la nota más alta de la misma.

puro. Los cambios rápidos

Oboe

proporcionan un timbre más rico.

Panel reflectante

irregulares

VIOLIN El sonido

y con picos brindan timbres más

Curiosidades

brillantes y contundentes.

la frecuencia más baja.

Doble

frecuencia

del

armónico fundamental

Triple frecuencia del

Tercer armónico

(antinodo)

y suave.

principal tiene

Segundo armónico

vibración

(nodo)

sonido puro

Las ondas

Fundamental

Vibración nula

armónico fundamental

116

Armónicos

Los materiales

Las distintas frecuencias en las que un instrumento puede vibrar se conocen como armónicos. El sonido principal, llamado el «fundamental», posee la frecuencia más baja. Otros armónicos, o «sobretonos», se combinan con el principal para producir el sonido que oímos.

de construcción se seleccionan cuidadosamente.

Acústica arquitectónica Para preservar la calidad de los sonidos musicales, las salas de conciertos están construidas de manera que los ecos sonoros puedan ser controlados. Los materiales de construcción absorben la cantidad justa de sonido, utilizándose paneles acústicos especiales en el interior de la sala para dirigir el sonido hacia los oyentes.

• El sector científico de la acústica arquitectónica lo fundó el físico estadounidense Wallace Sabine (1868-1919). • Todos los instrumentos se afinan con un «la» a una frecuencia de 870 Hz.

Grabación del sonido

Disco compacto Un CD es un disco de plástico con cavidades practicadas en su superficie. Estas cavidades almacenan ondas sonoras en una secuencia de números binarios creados por un proceso de grabación digital. Al girar el disco, un láser en el reproductor de CD explora el disco y «lee» la secuencia de cavidades. El reproductor de CD las transforma en impulsos eléctricos y los amplifica en un altavoz.

Las cavidades graban la altura

Todos LOS SISTEMAS DE GRABACIÓN de sonidos almacenan una

de la onda sonora

copia de las ondas sonoras como campos magnéticos sobre cinta, en el surco en espiral de un disco o en las pequeñísimas cavidades de un CD. Los sistemas de grabación utilizan micrófonos para convertir las ondas sonoras en señales eléctricas. La cinta se rebobina un carrete al otro.

Cinta magnética

de

Cinta magnética

D iafragm a

La cinta plástica de un casete está recubierta por diminutas partículas magnéticas. El cabezal del magnetófono produce un campo magnético variable, que alinea las partículas en un patrón que representa el sonido que se graba.

Electroim án

Im án Cabezal

de

grabación

El cam po

perm anente

magnético

alinea a las partículas.

D iafragm a de plástico o m etálico

electroim án

Curiosidades

• La primera grabación de sonido fue efectuada por Thomas Edison en 1877. Su fonógrafo registró sonidos en los surcos efectuados sobre un cilindro recubierto de cera. • La primera grabación magnética se realizó en Dinamarca en 1898.

La bobina de hilo conductor form a un

Altavoz

El envío de señales eléctricas a un altavoz genera un campo magnético variable alrededor de un electroimán. Un imán se halla unido al diafragma. El campo magnético variable hace vibrar al diafragma, produciendo ondas sonoras.

SlNTETIZADOR DE MUESTREO (SAMPLER)

Im án Sonido perm anente recogido por

Micrófono

En un micrófono de bobina móvil, las ondas sonoras hacen vibrar una bobina sometida a un campo magnético que origina el flujo de corriente eléctrica a través de ella. La corriente fluctúa en intensidad al cambiar las ondas sonoras, produciendo señales eléctricas que reproducen las ondas sonoras.

118

Discos El sonido puede ser almacenado en un surco en espiral sobre un disco de vinilo. La aguja de un tocadiscos vibra a medida que va explorando el surco, y origina señales eléctricas en el transductor magnético. Esas señales se envían amplificadas hacia los altavoces.

el m icrófono

El sonido se alm acena

Un sintetizador de muestreo graba sonidos en formato digital. Los sonidos se reproducen de nuevo con el teclado: al pulsar una tecla se modifica el tono del sonido, para acomodarlo al tono de esa tecla. Por tanto, el mismo sonido puede ser tocado en toda la escala musical.

en m em oria

El sonido se reproduce m ediante el teclado

M A G N E T I S M O

Y

E L E C T R I C I D A D

Magnetismo

Existe UNA FUERZA INVISIBLE, ejercida por los imanes y por las

corrientes eléctricas, denominada magnetismo. Los imanes atraen al hierro y a unos cuantos metales más, y también repelen a otros imanes. Cada imán posee dos extremos, llamados polos norte y sur, donde las fuerzas que ejercen son más intensas.

M A G N E T I S M O

Inducción magnética Los objetos magnéticos contienen «dominios», o pequeñas regiones de magnetismo, cada una con dos polos. Los polos de los dominios apuntan en todas direcciones, por lo que no hay un magnetismo predominante. Un campo magnético alinea los dominios, lo que comporta la magnetización del objeto. Los dom inios están

El

im án

Un imán

recorre

El m artilleo sobre la

la barra de acero.

barra de acero o su calentam iento provocan su desm ag­ netización.

alinea

revueltos y se anulan los dom inios.

Se

entre sí.

Fuerzas magnéticas en acción

desalinean

los dom inios. Las agujas de las

Las

brújulas se alinean

lim aduras

de

hierro

m uestran

las

líneas de fuerza alrededor del im án.

con el cam po

magnético.

Polo norte

La barra no posee magnetismo

Campo magnético El campo de fuerza invisible que rodea a un imán se denomina campo magnético. Aquí, las limaduras de hierro y las brújulas demuestran cómo el campo magnético se extiende entre los polos.

Polo sur

Polo sur.

La barra se convierte en un imán

La tierra, un imán gigante El núcleo de la Tierra, de hierro fundido, da al planeta su propio campo magnético. El polo norte y sur magnéticos están situados cerca de los polos geográficos. El polo norte de un imán siempre señala al norte magnético.

Polo sur

El sur m agnético está cerca del sur geográfico.

El eje de la Tierra pasa por los polos geográficos.

El cam po m agnético es m ás fuerte cerca de los polos.

Repulsión Los polos iguales se repelen entre sí. Las limaduras de hierro muestran cómo las líneas magnéticas de fuerza cambian bruscamente de dirección cuando dos polos iguales se acercan entre sí.

Atracción Los polos distintos u opuestos (polo norte y polo sur) se atraen entre sí. Las limaduras de hierro esparcidas alrededor de los imanes revelan las líneas de fuerza que discurren directamente entre los polos.

122

Magnetismo natural La piedra imán es un imán natural. Es una forma del mineral llamado magnetita (óxido de hierro). Su nombre significa «piedra guía» y se utilizaba en las brújulas hace 1.500 años.

Curiosidades • Las coordenadas de los polos magnéticos de la Tierra son 70°N, 100°O y 68°S, 143°E, pero están cambiando continuamente. • La sustancia más magnética es el boruro de neodimio y hierro (BNd2Fe14). • Los antiguos chinos podrían haber construido imanes calentando barras y dejándolas enfriar mientras estaban alineadas norte-sur.

M A G N E T I S M O

Y

E L E C T R I C I D A D

E L E C T R I C I D A D

Electricidad estática La ELECTRICIDAD que no fluye se llama electricidad estática. Se puede crear una carga estática restregando un globo contra un objeto aislante como un jersey. Se transfieren así electrones desde los átomos de la prenda a los átomos del globo. El globo adquiere una carga eléctrica negativa y el suéter una positiva.

Generador van de graaff

Globo CARGADO POR FRICCIÓN

Esta máquina genera electricidad estática. Un peine metálico cargado produce una carga positiva en una cinta en movimiento. Cuando la cinta alcanza la cúpula metálica, arranca electrones al metal, otorgando a dicha cúpula una enorme carga positiva.

Carga positiva

Carga negativa

Cúpula

La cinta cargada

m etálica.

El rayo

recoge electrones de

descarga la

la cúpula por m edio

electricidad.

del peine m etálico y deja cargada positivam ente la cúpula.

Cargas

positivas

a m iles de voltios

Inducción electrostatica Este globo cargado puede inducir una carga eléctrica estática en estos trozos de papel. La carga negativa del globo repele electrones de la superficie del papel, dando a la superfie del papel una carga positiva. Las cargas distintas se atraen, por lo que el globo atrae los trozos de papel.

E S T Á T I C A

Colum na aislada que evita las fugas de cargas. El globo induce una carga sobre el papel.

La

cinta

en

Rayo La tremenda acumulación de electricidad estática del interior de una nube de tormenta induce una carga positiva en la tierra. Al final, la electricidad se descarga al suelo desde la base de la nube y viceversa (rayo en horquilla), o entre las nubes (normalmente rayo disperso).

m ovim iento

adquiere carga positiva.

Placa m etálica cargada

Carga positiva El

chorro

del se

agua desvía

hacia

la

cuchara.

Las cargas distintas se atraen.

Campo eléctrico La zona en la que un objeto cargado ejerce una fuerza sobre los demás objetos se llama campo eléctrico. Aquí, una cuchara de plástico cargada induce una carga contraria en el chorro de agua cercano. La fuerza de atracción hace que el chorro se desvíe.

124

negativam ente.

Carga negativa Peine

CONDENSADOR

Muchos aparatos electrónicos hacen uso de condensadores para acumular carga y almacenarla hasta que sea necesaria. En el interior de un condensador hay dos placas metálicas separadas por un aislante.

m etálico cargado positivam ente

Sentido de giro de la cinta.

El electroscopio de hojas de oro detecta las cargas eléctricas.

Electroscopio Al poner un peine cargado negativamente en contacto con el disco, los electrones del disco son repelidos hacia las hojas. Estas adquieren electrones y cada una queda cargada negativamente. Las hojas se separan puesto que las cargas iguales se repelen.

M A G N E T I S M O

Y

E L E C T R I C I D A D

Corriente eléctrica

C O R R I E N T E

E L E

T R I C A

Electricidad de la luz del sol

Célula fotoeléctrica

La luz que incide sobre una célula fotoeléctrica es capaz de producir una corriente eléctrica. La luz arranca los electrones de sus órbitas alrededor de los átomos. Es el «efecto fotoeléctrico». Los electrones se mueven a través de la célula como una corriente eléctrica.

UNA CORRIENTE ELÉCTRICA es un flujo de carga eléctrica.

En un simple circuito, la pila impulsa a los electrones, cargados negativamente, a través de los cables metálicos. La electricidad sólo puede fluir a través de materiales llamados conductores. CABLE Los metales son buenos conductores: ELÉCTRICO AISLADO tienen electrones libres que se mueven con facilidad.

C

Calculadora alim entada

El electrón adquiere energía

por energía

y se aleja del átom o.

Los electrodos m etálicos disueltos se restauran durante la recarga.

solar

Curiosidades Aislantes

Los aislantes eléctricos impiden el paso del flujo de corriente eléctrica, porque sus átomos no contienen electrones libres. Los plásticos son buenos aislantes y se usan para recubrir los hilos conductores. Los electrones La

corriente

fluye

perm anecen

de

Electrones libres

con los

en un hilo conductor de cobre.

átom os en el aislante

negativo a positivo .

La corriente

• Los «semiconductores» son materiales aislantes cuando están fríos, y se hacen conductores al calentarse. • Los «superconductores» son los metales y algunos materiales cerámicos, que se convierten en perfectos conductores a temperaturas cercanas al cero absoluto.

Tipos de corrientes

Batería recargarle

La corriente eléctrica puede ser continua (c.c.), en la que los electrones fluyen sólo en una dirección, o alterna (c.a.), en la que los electrones cambian de dirección muchas veces por segundo. La batería produce corriente continua.

La batería de un coche puede ser recargada al ser atravesada por una corriente eléctrica. Esto invierte los cambios químicos que han tenido lugar en su interior.

en una dirección ,

La conductividad viene dada en unidades Siemens por metro (S/m): 1 S es la conductividad de un material con una resistencia de 1 ohmio (Ω)

eléctrica enciende

Ánodo

la bom billa.

de carbón

(electrodo

Unidades SI

positivo)

El amperio o amp (A) es la unidad de corriente eléctrica del SI. El culombio (C) es la unidad de carga eléctrica del SI. Una corriente de 1 amp transporta una carga de 1 culombio por segundo.

Pila eléctrica La carcasa de zinc es el cátodo (electrodo negativo).

Esta pila produce una tensión eléctrica utlizando electrodos de carbón y de zinc, y una pasta química llamada electrolito. Al cerrar el circuito, la corriente de electrones fluye del negativo (cátodo de zinc) al positivo (ánodo de carbón).

126

Conductibilidad de ciertas sustancias

Corriente constante

CORRIENTE CONTINUA

SUSTANCIA

CONDUCTIBILIDAD S/M

Cobre

58.000.000

Oro

45.000.000

Tungsteno

19.000.000

Los electrones fluyen en dos direcciones.

Grafito Agua (a 20°C) Diamante CORRIENTE ALTERNA

Aire (a nivel del mar)

70.000 0,0000025 0,00000000001 0,000000000000025

M A G N E T I S M O

Y

C O R R I E N T E

E L E C T R I C I D A D

Circuitos eléctricos

E L E C T R I C A

La bom billa

Fuerza electromotriz

luce intensam ente

Un circuito eléctrico es un camino por el que fluye una corriente eléctrica. Un sencillo circuito incluiría una fuente de energía eléctrica, como las pilas, y los cables conductores que unen a los componentes, tales como interruptores, bombillas, resistencias, que son los que controlan el flujo de la corriente.

Lápiz

Baja resistencia, gran intensidad

Los electrones en un circuito están propulsados por la fuerza electromotriz (fem). La fem procede de una fuente de energía eléctrica, como una pila o una batería. La fuerza electromotriz se mide en voltios.

Resistencia de un circuito Las bombillas en paralelo

obtienen todo el voltaje y brillan intensamente.

CIRCUITO EN PARALELO

Símbolos usados en circuitos

Interruptor Pila simple

La resistencia es el grado en que los materiales se resisten al paso de la corriente. Se puede utilizar para controlar el flujo de corriente a través de un circuito. En este circuito, la resistencia de la mina de un lápiz de grafito controla el flujo de corriente.

Un circuito en paralelo posee dos o más ramas, de modo que en cada elemento conectado se encuentra el voltaje total de la fuente. En un circuito en serie, todos los componentes están conectados uno tras otro, de manera que se reparten el voltaje de la fuente.

Amperímetro Voltímetro

La

bom billa

luce poco.

Bombilla

Diferencia de potencial

Resistencia

Resistencia Alta

Resistencia variable

resistencia,

poca intensidad

Pilas

Unidades SI

Las bombillas

en

serie se reparten el voltaje y brillan tenuamente.

El

interruptor

abre

o cierra el circuito.

Circuito en serie

128

La fem de la pila es de 1,5 V m edidos con voltím etro.

Batería Circuitos en paralelo y en serie

Voltím etro

Ecuaciones de circuitos

• El voltio (V) es la unidad del SI de voltaje o fuerza electromotriz. 1 voltio hace que una corriente de 1 amperio proporcione una potencia de 1 julio de energía por segundo (1 W de potencia).

Se puede recurrir a varias ecuaciones para el cálculo de la resistencia (R), voltaje (V), o intensidad (I), a través de un conductor en un circuito eléctrico. Estas ecuaciones son:

• El ohmnio (Ω) es la medida de resistencia del SI: 1 Ω hace que un voltaje o diferencia de potencial (dp) de 1 V produzca una corriente de 1 A.

• Para calcular la resistencia: R = V/I • Para calcular el voltaje: V = IR • Para calcular la intensidad: I = V/R

variable

La diferencia de fem entre cualesquiera dos puntos de un circuito se denomina diferencia de potencial o voltaje. La corriente fluye porque los electrones siempre se mueven desde un punto de alto potencial a un punto de bajo potencial.

El voltaje en

los

extrem os de la bom billa es de 2,2 V.

Este «m ultím etro» puede m edir corrientes, voltajes o resistencia.

M A G N E T I S M O

Y

E L E C T R I C I D A D

Electromagnetismo

E L E C T R O M A G N E T I S M O Batería

Conexión eléctrica

El MOVIMIENTO de un cable eléctrico en el seno de un campo magnético ocasiona un flujo de corriente a través de dicho cable. La corriente eléctrica que fluye por un cable genera un campo magnético a su alrededor. Es el electromagnetismo.

Los cables de conexión van por debajo.

La

bobina

cuando Cam po m agnético

gira fluye

la corriente.

El cam po tiene polos

Contactos eléctricos

m agnéticos, com o un im án.

Motores eléctricos

Bobinas de hilo de cobre alrededor de un núcleo de hierro Flujo de la corriente

Campo inducido por una bobina

Potente electroimán

Una bobina realizada con cable por el que discurre una corriente eléctrica, induce un campo magnético más intenso que un cable en línea recta. La bobina es un tipo de electroimán llamado solenoide.

Bobinar un solenoide alrededor de un núcleo de cobre forma un campo magnético más fuerte. Aquí, las limaduras de hierro demuestran la fuerza del campo magnético alrededor de este electroimán. El

Generadores

galvanóm etro

registra voltaje.

La corriente eléctrica puede obtenerse al hacer girar una bobina de hilo conductor entre los polos de un imán. Asimismo, el imán puede girar mientras que la bobina permanece estática. Los generadores llamados dinamos producen corriente continua, mientras que los alternadores son generadores que producen corriente alterna.

Conexiones eléctricas La bobina gira entre los im anes.

En un motor eléctrico, la corriente fluye a través de una bobina de hilo entre los polos de un imán. El campo magnético que produce el imán interactúa con el campo de la bobina, obligando a ésta a que gire. La bobina en revolución puede ir unida a un eje o a un volante de inercia, para impulsar una máquina.

La corriente induce un campo magnético en este timbre, tirando de la palanca del martillo para golpear el gong. Al moverse la palanca, abre el circuito, volviendo a continuación a su posición inicial.

y cierre del circuito Electroim anes

130

M ovim iento

Corriente

Las reglas de Fleming Se utilizan para establecer las direcciones de la corriente, los campos magnéticos y el movimiento. La regla de la mano derecha muestra la dirección de una corriente eléctrica, cuando el hilo se mueve en el seno de un campo magnético. La de la mano izquierda indica la dirección en que se moverá un hilo conductor por el que discurre una corriente Movimiento eléctrica en el seno de un campo magnético.

Campo

_Corriente Regla de LA MANO IZQUIERDA DE FLEMING

Timbre eléctrico

Contacto de apertura

Los cables discurren bajo el tablero.

Regla de la mano DERECHA DE FLEMING Cam po

Broca

Al

presionar

el

gatillo

se cierra el circuito.

Taladro eléctrico Muchos equipos eléctricos utilizan motores eléctricos. En un taladro eléctrico, los piñones maximizan la rotación del motor para obtener el giro de la broca a alta velocidad. Un ventilador de refrigeración asegura la correcta refrigeración del motor.

M A G N E T I S M O

Y

E L E C T R I C I D A

D

S U M I N I S T R O

E L É C T R I C O

Suministro eléctrico

Tipos de clavijas

La ELECTRICIDAD GENERADA en las centrales eléctricas, alcanza nuestros hogares por medio de cables, conocidos como red de distribución. La resistencia de la red hace que se pierda algo de la energía en forma de calor. Por eso, la electricidad se distribuye a alto voltaje y baja intensidad, para minimizar la pérdida de energía.

El del

Fusible Interruptor magnetotermico

conductor fusible

funde

y

se abre

Los aparatos eléctricos se conectan a la red enchufando las clavijas en los zócalos. Los cables de tierra desvían las corrientes peligrosas a tierra.

el circuito.

Interruptores magnetotérmicos y fusibles

Red de distribución

Producción de electricidad

Consumo de electricidad

Las centrales eléctricas suministran electricidad a las subestaciones, en donde los transformadores elevadores suben el voltaje para su distribución. La energía viaja por cables bajo tierra, o por líneas de alta tensión.

En las estaciones reductoras, se reduce el voltaje en transformadores, con el fin de suministrar el voltaje adecuado. Una red de distribución pone la electricidad en casa de los consumidores.

Un fallo eléctrico puede producir un excesivo flujo de corriente y llegar a incendiar los cables. Los interruptores magnetotérmicos domésticos interrumpen el paso de la corriente al alcanzar ésta niveles peligrosos. Los fusibles son el punto más débil del circuito y se queman cuando la corriente es demasiado alta.

Clavija de 2 terminales Cable de tierra

Circuito de ilum inación Fábrica Central

Los cables

eléctrica

transportan

Clavija de 3 terminales

Los contadores m iden la

o industria Tendido corriente alterna.

cantidad de la energía eléctrica

Caja de fusibles

Fusible

consum ida en las viviendas.

eléctrico

Contador

Hogares

Clavija de 3 terminales CON FUSIBLE

Torres

Transformador

Transformador

elevador

reductor

M enos espiras en

N úcleo

la bobina prim aria

de hierro

Transformador elevador

Control del voltaje Los transformadores consisten en dos bobinas enrolladas sobre un núcleo de hierro. Los transformadores elevadores tienen más espiras en el devanado de la bobina secundaria, para incrementar el voltaje. Los transformadores reductores tienen más espiras en la bobina primaria, para reducir el voltaje.

132

Menos

Curiosidades espiras en la

\ Los aparatos

bobina secundaria

se conectan en los zócalos Circuito principal

Circuitos domésticos

TRANSFORMADOR REDUCTOR

Las modernas viviendas poseen varios circuitos para distintos usos. Por ejemplo, la iluminación a menudo se alimenta a través de un circuito distinto del principal. Los hornillos eléctricos, que gastan mucha electricidad, se alimentan con un circuito aparte.

de la pared.

• En 1887, Nikola Tesla patentó un sistema de suministro eléctrico que transportaba corriente alterna. • En las casas, tiendas y oficinas, el voltaje debe ser de 220 V (110 voltios en EE.UU.).

M A G N E T I S M O

Y

E L E C T R I C I D A D

E L E C T R Ó N I C A

Electrónica

Transistor

Semiconductores El hueco

La UTILIZACIÓN DE COMPONENTES para el control de la electricidad se conoce como electrónica. Los circuitos integrados y otros componentes electrónicos se hacen con materiales semiconductores, como el silicio. La adición de impurezas crea dos tipos de silicio: el tipo n tiene electrones libres adicionales; el tipo p tiene menos electrones que han dejado «huecos». Componentes de radio

se m ueve

Antena (OM )

Antena

(FM)

Resistencia variable

Control de una corriente Los transm isores son osciladores

Los circuitos electrónicos amplifican la corriente eléctrica, transforman la corriente continua en alterna, o controlan el paso y la interrupción de la corriente.

que producen una corriente alterna. Los una

circuitos copia

m ás

am plificadores fuerte

de

una

corriente alterna.

arsénico

Silicio tipo P

Silicio tipo N

La adición de boro deja «huecos» en el silicio, dado que los átomos de boro tienen menos electrones en su capa externa. La corriente la llevan los «huecos» en movimiento.

El arsénico ofrece electrones libres al silicio, dado que los átomos de arsénico tienen más electrones en su capa externa. La corriente la llevan esos electrones libres.

Un transistor es un emparedado de silicio de los tipos n y p en disposición p-n-p o n-p-n. Puede amplificar la corriente o actuar como un interruptor. En los ordenadores, los transistores abren y cierran circuitos muchas veces por segundo permitiendo llevar a cabo cálculos muy rápidamente.

Componentes electrónicos Componente

Función

Condensador

Almacena cargas elétricas.

Condensador variable

Almacena cantidades variables de cargas.

Diodo

Permite el flujo de la corriente en sólo una dirección. Convierte la corriente alterna en continua (rectificador).

Diodo emisor de luz (LED)

Emite luz cuando la corriente pasa a su través.

variable

Transistor.

Atomo de

de boro

Condensador

libre

en m ovim iento -

Átom o

Un condensador variable y una bobina hacen posible sintonizar una emisora. Una antena transforma las ondas de radio en señales eléctricas. Los transistores amplifican las señales hasta obtenerlas convertidas en sonido por un altavoz. El volumen de radio se controla con una resistencia variable.

Altavoz

Electrón

Termistor

Convierte las variaciones de temperatura en resistencia variable.

Antena

Convierte las ondas de radio en corriente alterna (y viceversa).

Micrófono

Convierte las ondas sonoras en tensión alterna.

Altavoz

Convierte las señales de corriente alterna en ondas sonoras.

Transistor n-p-n

Amplifica la corriente eléctrica y hace de interruptor.

Transistor p-n-p

Amplifica la corriente eléctrica y hace de interruptor.

hacen débil

Los circuitos de los ordenadores utilizan im pulsos de corriente (si/no) para representar los datos.

134

Símbolo

M A G N E T I S M O

Y

E L E C T R I C I D A D

E L E C T R O N I C A

De analógico a digital

El sonido se

Circuitos integrados

Una señal «analógica» es la reproducción de un sonido, luz, o señal de radio en la forma de una corriente eléctrica variable. Los circuitos integrados se utilizan para convertir las señales analógicas en señales digitales, en código binario. Una señal digital formada por impulsos eléctricos de sí/no es mucho más fácil de almacenar que una corriente eléctrica variable.

mide y convierte

Son una delgada lámina de silicio que contienen un completo circuito con miles de componentes, tales como transistores y diodos. Los circuitos integrados o «microchips», han logrado que los aparatos electrónicos sean a la vez más pequeños y más eficientes.

en una señal digital.

Fabricacion

Los componentes de un circuito integrado están hechos a base de acumular capas de semiconductores de tipo p y tipo n así como otros materiales sobre una lámina de silicio. Se unen por medio de finos hilos conductores. Para cada capa se realiza un detallado plano que puede ser superpuesto para comprobar su exactitud.

Copia

empequeñece

de un color distinto

aún más al

Puertas lógicas

Puerta Y Sólo da salida cuando se aplica una señal en una entrada Y en la otra entrada.

chip.

Lám inas transparentes superpuestas

CÓDIGO BINARIO Los microchips almacenan datos en forma de señales eléctricas en código binario. Los números binarios sólo utilizan los dígitos 0 y 1. El número decimal 13, por ejemplo, es 1101 en modo binario (8+4+0+1). Esto se convierte en una secuencia binaria de impulsos eléctricos de «sí» (1) y «no» (0). Así 1101 es sí-sí-no-sí en código binario.

136

de

Las puertas lógicas trabajan con señales digitales. Pasan del estado sí al no, en función del tipo de señal que reciben. Las «tablas de verdad» muestran lo que pasa cuando las señales se aplican (1) o no (0) a las puertas.

El encapsulado Cada plano es

analógica

la onda de sonido

Lectura del peso

Puerta O Da salida cuando se aplica una señal a una entrada O a la otra entrada O a ambas.

Chip encapsulado Un circuito integrado se llama también microchip. El chip se encapsula en el interior de una robusta pieza de plástico o cerámica, con terminales que pueden ser soldados o insertados sobre un circuito impreso. Muchos chips tienen puertas lógicas, es decir, combinaciones de transistores que procesan las señales eléctricas. Las puertas lógicas (ver a la derecha) hacen las sumas en los cálculos.

Puerta NO La puerta NO da salida SÍ cuando NO se aplica una señal. Símbolo usado en el diseño de circuitos de ordenador

M IC R O PR O CESA D O R

Un microprocesador es un chip que puede almacenar instrucciones en una memoria electrónica y actuar sobre ellas. Esta báscula está controlada por un único procesador. El chip convierte el peso de la báscula en una lectura digital. Puede convertir el peso de unidades métricas a imperiales y a la inversa.

M A G N E T I S M O

Y

E L E C T R I C I D A D

O R D E N A D O R E S

Ordenadores Un ORDENADOR contiene miles de circuitos electrónicos que le permiten almacenar y procesar grandes cantidades de información. Aunque el ordenador no puede «pensar» por sí mismo, puede realizar una amplia variedad de tareas con gran rapidez. Cada tarea se descompone en una serie de sencillos cálculos matemáticos. La

SUPERORDENADOR Los ordenadores extremadamente potentes capaces de realizar complejas tareas se llaman superordenadores. Al realizar varios procesos simultáneamente y refrigerar sus componentes con el fin de que conduzcan la electricidad con más eficiencia, pueden operar a muy alta velocidad.

Planos de construcción en CAD

pantalla del

ordenador

m uestra los

Diseño asistido por ordenador (CAD)

resultados.

La información introducida en un ordenador «construye» un objeto en la pantalla utilizando gráficos de ordenador. El CAD permite a los arquitectos e ingenieros probar nuevas ideas.

La unidad de disco contiene

ORDENADOR PERSONAL

program as

El tipo de ordenador más conocido es el personal (PC) que sólo puede ser utilizado por una persona a la vez. La mayoría de los PC están compuestos por un teclado y ratón, una unidad de disco y un monitor. Este tipo de componentes se conocen como «hardware».

de software.

Realidad virtual Un sistema de realidad virtual permite interactuar con el mundo generado por el ordenador. Un casco presenta imágenes en 3-D, mientras que un «guante de datos» permite tocar lo que se ve.

Este ordenador se usa en el estudio de la física de

Superordenador CRAY X-MP/48

Teclado y ratón para partículas. U n program a

la introducción de datos.

El usuario procesador de

Programas de ordenador

Generaciones de ordenadores

textos perm ite

Un programa es un conjunto de instrucciones que indica al ordenador la ejecución de tareas específicas. Las instrucciones pueden estar redactadas en código máquina (largas series de números) o en un lenguaje de ordenadores como el BASIC o el C. Los programas de ordenador se llaman «software».

escribir y editar

Generación

Fecha

Característica

tocando la

textos.

138

escoge los objetos

1ª

1944-59

2a

1959-64

Transistores

3a

1964-75

Circuitos integrados a gran escala (LSI)

4a

1975-

Circuitos integrados a muy gran escala (VLSI)

5a

En desarrollo

Ordenadores basados en «Inteligencia artificial»

Válvulas (tubos de vacío)

pantalla.

M A G

N

E

T

I

S M O

Y

E

L

E

C

T

R

I

C

I

D isco duro ,

Contenido de un ordenador

RA M

D isquetera

RO M

U nidad

Este dibujo muestra la situación de las partes principales de un PC. Cada ordenador tiene cuatro partes básicas: una unidad de entrada de datos, como el teclado; una unidad central de procesamiento; una memoria para almacenar instrucciones, y una unidad de salida, como el monitor. Salida

de

a pantalla

CD -RO M

o im presora

Chip de m em oria Teclado

Interior pe un ORDENADOR PERSONAL

O R D E N A D O R E S

D

de m aterial

La memoria es crucial para el funcionamiento de los ordenadores, porque necesitan poder recordar secuencias de instrucciones con el fin de llevar a cabo tareas específicas. En un ordenador personal (PC), hay dos memorias: la memoria de sólo lectura M onitor (ROM) y la memoria de acceso aleatorio (RAM). Ambas están constituidas por un Tarjetas de vídeo, sonido, etc. conjunto de microchips.

Bus de datos

A

D isco recubierto

Interior de los ordenadores

CPU

D

RAM

Ratón

m agnético

Cabeza de lectura

M ecanism o selector de pista

escritura.

TARJETAS COMPLEMENTARIAS

Los ordenadores contienen circuitos impresos especiales o «tarjetas», para llevar a cabo tareas específicas que necesitan mucha memoria. El ordenador cede el trabajo a la tarjeta y queda libre para realizar otras tareas. Los conectores del extrem o se introducen en las ranuras.

Discos El disco duro almacena datos cuando el ordenador está apagado. Se utilizan discos flexibles para transferir datos a otros ordenadores. Los discos registran datos en código binario. Los datos de los discos se leen en unidades de disco.

CD-ROM El CD-ROM es un reproductor de discos compactos (CD) adaptado al ordenador. Los CD para CD-ROM pueden almacenar 450 veces más información que un disco flexible, incluyendo ilustraciones, texto, sonido y vídeo.

CPU

Chip de m em oria

Controlador del disco

El

cristal

controla

velocidad de proceso

Terminología de ordenadores SIGNIFICADO

Término

ROM

Memoria permanente del ordenador, cuyos contenidos no pueden modificarse.

RAM

Memoria que se utiliza para almacenar el programa y los datos en uso por el ordenador.

Cache

Memoria que almacena datos temporalmente.

Bus de datos

Conjunto de cables que transportan información de una parte del ordenador a otra.

Sistema operativo

Programa que permite que el ordenador arranque.

Bit

Dígito de información binaria (1 o 0).

Byte

Una porción de datos formada por ocho dígitos.

Megabyte

Un millón de bytes.

Módem

Aparato que permite transmitirla información por medio de la línea telefónica.

Unidad central de procesamiento

Un ordenador está gobernado por su unidad de procesamiento central. Se trata de un único microchip que contiene un gran número de circuitos. Maneja los datos del teclado, ROM y RAM. También envía información a la memoria RAM y muestra los datos en el monitor.

Entrada de

PÁGINA DE CD-ROM

datos vía teclado

140

Chip de m em oria

ROM

la

M A G N E T I S M O

Y

E L E C T R I C I D A D Torre de una antena de radio

TELECOMUNICACIONES LOS PROGRAMAS DE RADIO Y TELEVISIÓN, e

incluso algunas conversaciones telefónicas, se emiten a través de ondas de radio. Las ondas deben ser moduladas (codificadas) primero para que puedan transportar las señales de sonido e imagen. Onda de radio en AM

...O nda

Modulación Una señal de radio (alta frecuencia) estable se modula por una seña sonora de dos maneras: se puede modular en amplitud (AM) o en frecuencia (FM). La señal resultante se transmite como una onda de radio.

Curiosidades • En 1926, el ingeniero escocés John Logie Baird mostró el primer sistema de televisión. • El inventor italiano Guglielmo Marconi realizó la primera transmisión por radio en 1894.

T E L E C O M U N I C A C I O N E S

m odulada enam plitud

La onda

Cómo funciona un televisor La onda portadora

se am plifica.

La antena

m odulada

portadora

convierte las

y am plificada se irradia desde

ondas de radio en señales

la torre.

Recepción

eléctricas.

Las antenas y discos parabólicos captan ondas portadoras moduladas y las introducen en los receptores de radio y televisión. Las señales son «demoduladas» y se convierten en señales eléctricas, y son de nuevo convertidas en sonido o imágenes.

La señal de imagen demodulada se envía al tubo de imagen (tubo de rayos catódicos). Dicho tubo posee tres «cañones electrónicos» que disparan haces de electrones a la pantalla del televisor. Los campos magnéticos hacen que los rayos exploren la pantalla. La pantalla está recubierta de materiales fosforescentes, que pueden brillar en rojo, verde o azul, cuando reciben el impacto de los electrones.

Electroim anes

Onda de radio en FM

O nda m odulada

Televisor

en frecuencia H aces de electrones

Señal procedente

Comunicaciones a larca distancia

de la antena

Las señales de radio de baja frecuencia se envían a larga distancia haciéndolas rebotar entre la ionosfera (región de la atmósfera con gran abundancia de iones) y la superficie. Las ondas de alta frecuencia atraviesan la Las señales de m uy alta ionosfera y se transmiten a frecuencia se retransm iten estaciones receptoras sobre vía satélite la Tierra por medio de satélites de comunicaciones en órbita. Las ondas cortas se reflejan en la parte superior de la

Ciertas ondas de

ionosfera.

radio

no necesitan

reflejarse.

• El satélite de comunicaciones de EE.UU. «Telstar» fue lanzado en 1962.

- Las ondas de radio de Transmisión de baja frecuencia rebotan ondas de radio entre la ionosfera y la superficie.

1 4 2

Pantalla

Cañones

fosforescente

electrónicos Los circuitos

rojo, verde

am plifican

y azul

Aparece la im agen al recorrer los rayos la pantalla.

la señal.

Teléfonos

Teléfono El teléfono tiene un micrófono para convertir las ondas sonoras de la voz de la persona en señales eléctricas. Las señales se envían a través de un cable a un teléfono receptor, donde son reconvertidas en sonido. Las M icrófono señales telefónicas se envían también en forma de impulsos luminosos a través de fibras ópticas.

Fibra óptica

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C I E N C I A

CRONOLOGÍA DE LOS DESCUBRIMIENTOS CIENTIFICOS

ESTA tabla DA cuenta de algunos de los descubrimientos importantes habidos en la historia de la ciencia, desde las primeras nociones acerca del universo y la naturaleza de la fuerza y la energía, hasta el mundo moderno de la física de partículas. CA. 1000 A.C. ca.

1000 a.C-ca.260 A.C.

1650 D.C. CA.259 A.C. -1599 A.C.

• 2 a.C. Se estudiaba alquimia en Egipto, científico griego China e India. Los Demócrito sugirió alquimistas intentaron que la materia estaba transformar los metales compuesta por «pobres» como el pequeñas partículas indivisibles, que llamó plomo, en metales preciosos como el oro. átomos. La alquimia fue • ca.350 a.C. el primer estudio Aristóteles, filósofo sistemático sobre la griego, propuso que la materia. Más tarde materia estaba formada alcanzaría Europa. por cuatro elementos: tierra, fuego, aire y agua. • CA.400 a.C. El

• CA. 1000 a.C. Las primitivas civilizaciones dependían del viento y de la fuerza muscular para el trabajo y para el transporte, y quemaban madera y materias vegetales para calentarse.

• 100 d.C. Hero de Alejandría, un ingeniero griego, inventa el eolípile, un antecesor de la turbina de vapor. Aprovecha el vapor de una caldera para hacer rodar una bola de metal.

• ca.260 a.C. El científico griego Arquímedes descubrió el principio de flotación, y estableció principios matemáticos.

146

1600-1640

1641-1650

• 1620 El científico llamado Jan van Helmont acuña la palabra «gas». • Década 1620 Francis Bacon, filósofo inglés, desarrolló el método científico: la ciencia basada en experimentos.

• 1649 El filósofo francés Pierre Gassendi tradujo antiguos textos griegos sobre la teoría atómica, popularizando de nuevo la idea del átomo.

• 1600 William Gilbert, médico de la reina de Inglaterra Isabel I, afirmó que el núcleo de la Tierra era igual que un gran imán. • 1638 El científico italiano Galileo Galilei descubre la mecánica (el estudio de la fuerza y del movimiento). Fue la primera persona que usó un telescopio.

1820

1651

Cronología de los DESCUBRIMIENTOS CIENTÍFICOS

• ca.1650. El físico alemán Otto von Geuricke perfeccionó su bomba de vacío.

• 1643 El físico italiano Evangelista Torricelli descubrió la presión atmosférica y la midió con un barómetro de mercurio de su propia invención. • 1650 Blaise Pascal, un científico francés, desarrolló la ley de la presión de los fluidos.

1801-1820

1651-1700

1701-1770

• 1661 El científico irlandés Robert Boyle se dio cuenta de la naturaleza de los elementos y de los compuestos. Sugirió que la existencia de pequeñas partículas explicaba las reacciones químicas.

• 1755 El químico escocés Joseph Black identificó el dióxido de carbono. También descubrió el calor latente.

• 1779 El químico francés Antoine Lavoisier dio nombre al oxígeno y reveló su importancia en la combustión.

• 1766 El químico británico Henry Cavendish descubrió el hidrógeno.

• Década 1780 Jean • 1811 El físico italiano Antoine Chaptal, un químico francés, instala Amadeo Avogadro formuló su ley, una factoría de ácido sulfúrico. que establece que volúmenes iguales de diferentes gases contienen el mismo número de partículas.

1771-1800

• 1670 El físico inglés Robert Hooke puso a punto el microscopio compuesto.

• Década 1770 El físico e inventor francés Charles Coulomb estudiaba las fuerzas electrostáticas.

• 1665 El matemático inglés Isaac Newton formuló las leyes del movimiento y de la gravedad. Más tarde descubrió que la luz está compuesta por un espectro de colores.

• 1701 El científico • 1798 Henry francés Joseph Sauveur Cavendish, químico diferenció las ondas inglés, midió la masa sonoras de la de la Tierra con una vibraciones. balanza de torsión.

• 1683 El ingeniero francés Jean Desaguliers introdujo los términos «conductor» y «aislante».

Benjamín Franklin probó que el rayo es de naturaleza eléctrica. También sugirió que la electricidad posee dos tipos de cargas.

• 1706 El científico inglés Francis Hawksbee perfeccionó • 1675 El astrónomo una máquina de danés Olë Römer midió fricción que producía la velocidad de la luz chispas eléctricas. observando las lunas • 1752 El de Júpiter. estadounidense

• 1765 James Watt, ingeniero escocés, construyó la primera máquina de vapor eficiente.

• 1799 El químico italiano Alessandro Volta ideó su «pila voltaica», la primera pila del mundo, utilizando diferentes materiales separados por discos de papel empapados en una solución salina. • 1800 André Marie Ampère, un físico francés, estudió la relación entre corriente eléctrica y voltaje.

• 1807-8 El químico británico Humphrey Dary realizó el descubrimiento del potasio, sodio, magnesio, bario y estroncio.

• 1803 El inglés John Dalton propuso la moderna teoría atómica; que los elementos y compuestos están constituidos por átomos y por moléculas. • 1820 Hans Christian Oersted, un físico danés, descubrió el electromagnetismo viendo cómo la aguja de una brújula se desviaba al acercarla a un cable por el que fluía corriente eléctrica.

H I S T O R I A

D E

L A

C I E N C I A

1821 1821-1840 • 1830 Los químicos alemanes se concentraron en los estudios del carbono como la base de la química «orgánica» de los seres vivos. • 1833 El físico Y químico inglés Michael Faraday descubrió las leyes de la electrólisis.

1899 1841-1860

1861-1880

• 1841 El químico sueco Jöns Jacob

• 1868 Se descubrió el helio, realizando estudios espectroscopios del Sol.

la alotropía. • 1842 El científico francés EugeneMelchor Peligot descubrió el uranio. • 1852 El químico inglés Edward Franklin introdujo el concepto de valencia.

• 1851 El científico • 1843 El científico británico Michael inglés James Joule describió la relación Faraday y el estadounidense Joseph entre calor, potencia Henry descubrieron y trabajo. separadamente cómo • 1846 El científico servirse del magnetismo británico William para crear electricidad. Thompson estableció 1836 El químico inglés John Frederic Daniell inventó la pila Daniell, la primera fuente de electricidad fiable y práctica. • 1839 El inglés William Fox Talbot y el francés Louis Daguerre idearon independientemente un práctico proceso fotográfico.

CRONOLOGÍA DE LOS DESCUBRIMIENTOS CIENTIFICOS

las leyes de la termodinámica. • 1849 El físico francés Hippolyte Fizeau realizó una medición muy precisa de la velocidad de la luz. • 1859 Etienne Lenoir, un ingeniero belga, inventó el motor de combustión interna.

148

• 1869 El profesor ruso Dimitri Mendeleyev clasificó elementos en grupos por peso atómico. Asimismo ideó la tabla periódica de los elementos.

1881-1899 • 1896 Antoine Henri Becquerel descubrió la radiactividad. • 1897 El físico británico Joseph John Thompson descubrió el electrón. • 1898 La químico Curie y su marido francés Pierre Curie, aislaron el radio y el polonio.

• 1864 James Maxwell, un físico escocés, introdujo la idea del campo electromagnético. También identificó a la luz como una forma de radiación electromagnética.

• 1884 Charles Parsons, un ingeniero inglés, inventó la turbina de vapor para generar electricidad.

• 1876 El inventor nacido en Escocia Alexander Graham Bell construyó el primer teléfono.

• 1888 El físico nacido en Croacia Nikola Tesla inventó el primer motor eléctrico de inducción útil.

• 1888 Heinrich Hertz, físico alemán, demostró la existencia de las ondas de radio.

• 1879 El • 1894 El joven estadounidense inventor Guglielmo Thomas Edison Marconi realizó la y el inglés Joseph primera comunicación Swan llevaron a cabo vía radio. independientemente la primera bombilla. La de Edison tuvo más éxito.

1900 1900-1911

1995 1912-1930

• 1909 Leo Henrick • 1913 Niels Bohr, un Baekeland, un químico físico danés, descubrió estadounidense, logró que los electrones el primer plástico orbitan al núcleo del átomo en capas. estable y totalmente sintético: la • 1915 William Bragg «baquelita». y su hijo, Lawrence, • 1911 El físico inventaron la neozelandés Ernest cristalografía por rayos Rutherford descubrió el X, un modo de servirse núcleo del átomo. Más de los rayos X para tarde supo cómo explorar la estructura convertir un elemento de los cristales. en otro.

• 1900 Max Planck, físico alemán, propuso la teoría cuántica, en la que se enuncia que la energía está formada por pequeñas unidades «cuantos». Partiendo de esta teoría, los científicos han deducido que la luz consta de ondas y de partículas.

• 1911 El físico holandés Heike Onnes descubrió la superconductividad del mercurio a temperatura cercana al cero absoluto.

1951-1945 • 1951 James Chadwick, físico británico, descubrió el neutrón. • 1951 El físico alemán Ernst Ruska inventó el microscopio electrónico. • 1939 El químico estadounidense Linus Pauling reveló la naturaleza de los enlaces químicos entre los átomos y las moléculas.

• 1957 El ingeniero inglés Frank Whittle construyó el primer motor de reacción. • 1938 El científico alemán Otto Hahn y la física austríaca Lise Meitner descubrieron la fisión nuclear.

• 1912 El físico alemán Max von Laue descubrió que los rayos • 1939 El científico X son una forma alemán Hans Bethe de radiación afirmó que la fuerza del Sol y de las estrellas • 1905 El físico Albert estudiando su reflexión procede de la fusión Einstein, nacido en a partir de cristales. nuclear. Alemania, publicó su • 1912 El físico • 1942 Enrico Fermi, Teoría Especial de la estadounidense nacido Relatividad. Junto a su en Austria Víctor Hess construyó el primer Teoría General de la descubrió la radiación reactor nuclear. Relatividad (1915), cósmica de alta energía revolucionó el mundo • 1945 En EE.UU. durante los vuelos de de la ciencia y demostró globos a gran altitud. se diseñó el ENIAC, que la masa se puede primer ordenador convertir en energía. electrónico.

1946-1995 • 1964 El físico estadounidense Murray Gell-Mann propuso la existencia de los quarks. • 1984 Alee Jeffreys, científico británico, desarrolló el análisis genético de las huellas de un crimen. • 1995 Se descubre el quinto estado de la materia, llamado el «superátomo», encontrado a temperaturas cercanas al cero absoluto. • 1947 Los físicos estadounidenses John Bardeen, Walter Brattain y William Shockley inventaron el transistor. • 1958 El ingeniero electrónico estadounidense Jack Kilby fabricó el primer circuito integrado, consistente en una pastilla de semiconductor. • 1960 Theodore Maiman, físico inventó el láser. • 1971 Se fabricó en EE.UU. el primer microprocesador, el Intel 4004.