Cambio en la materia
En la naturaleza, así como en muchos aspectos de la vida humana, todo cambia. Las hojas de los árboles, la piel de los animales, la figura humana, la composición de los cuerpos, etcétera. En el mundo natural los cambios significan nuevas posibilidades, y estas transformaciones son aprovechadas por el hombre para su propio beneficio. El ser humano estudia los cambios de la materia, la energía y los cuerpos pudiendo así intervenir él mismo en la naturaleza para sobrevivir y mejorar su existencia.
Cambio constante
Energía , capacidad de un sistema físico para realizar trabajo. La materia posee energía como resultado de su movimiento o de su posición en relación con las fuerzas que actúan sobre ella. De acuerdo a esto, la materia puede sufrir dos tipos de cambios:
- Físicos: Son transitorios y durante ellos, las características fundamentales de la materia no se alteran.
- Químicos: Son aquellos en los cuales la materia cambia sus propiedades, ya que se altera su composición. Son cambios permanentes y dan origen a sustancias nuevas.
Factores
Los factores de los cambios físicos son fundamentalmente dos: la presión y el calor. En relación al primero, analicemos el siguiente ejemplo: cuando un karateca rompe un trozo de madera, su mano ejerce una presión sobre el objeto y éste se rompe. Sin embargo, cada uno de los pedazos que quedan siguen manteniendo las mismas propiedades de la materia originalmente usada.
El calor
Calor, en física, transferencia de energía de una parte a otra de un cuerpo, o entre diferentes cuerpos, en virtud de una diferencia de temperatura. El calor es energía en tránsito; siempre fluye de una zona de mayor temperatura a una zona de menor temperatura, con lo que eleva la temperatura de la segunda y reduce la de la primera, siempre que el volumen de los cuerpos se mantenga constante. La energía no fluye desde un objeto de temperatura baja a un objeto de temperatura alta si no se realiza trabajo.
Existen fuentes artificiales y naturales de calor: las artificiales son creadas por el hombre, como por ejemplo una cocina, una estufa, una chimenea, etcétera. Las fuentes naturales son aquellas en las que no ha intervenido el hombre; la gran fuente de calor natural es el Sol. Un cuerpo posee más calor que otro cuando las partículas que lo forman se agitan o mueven con mayor rapidez. Esto se logra al suministrar mayor cantidad de energía a las partículas que forman el cuerpo, lo que provoca un aumento en la temperatura del mismo.
La acción del calor
En la materia, el calor puede provocar cambios de estado y de volumen.
Cambios de estado
Es muy común observar que algunas materias pueden pasar de un estado a otro cuando se les aplica calor, o bien cuando lo pierden. De este modo, podemos establecer que:
Cuando la materia gana calor puede presentar los siguientes cambios de estado:
- Evaporación: es el paso de una sustancia desde el estado líquido al gaseoso. Por ejemplo, en verano, cuando se riega, el suelo se seca rápidamente. Esto se debe al calor, ya que el agua de la tierra adquiere un mayor nivel calórico y se evapora, es decir, pasa al estado gaseoso.
- Fusión: es el paso de una sustancia desde el estado sólido al líquido. En este caso, el sólido debe adquirir más calor para que sus partículas logren una mayor movilidad o agitación. Por ejemplo, cuando se guarda un chocolate en un bolsillo muy pegado al cuerpo, el chocolate se derrite.
- Sublimación progresiva: es el paso de una sustancia desde el estado sólido al gaseoso, sin pasar por el estado líquido. Por ejemplo, al calentar cristales de yodo, se forman unos vapores rojizos. Es decir, los cristales pasaron a estado gaseoso.
Cuando la materia pierde calor, cambia de estado mediante los fenómenos de:
- Solidificación: es cuando un líquido pierde calor y pasa al estado sólido. Por ejemplo, cuando se pone leche con chocolate en el congelador, se forma un helado de leche chocolatada.
- Condensación: es el paso de una sustancia desde el estado gaseoso al líquido. Esto ocurre porque el gas pierde calor y, al enfriarse, la materia pasa a estado líquido. Por ejemplo, cuando se pone un plato frío sobre una olla de la que está saliendo vapor, se forman gotitas de agua en el plato.
- Sublimación regresiva: ocurre cuando una sustancia pasa directamente del estado gaseoso al sólido. Por ejemplo, cuando se producen vapores al calentarse cristales de yodo. Éstos pueden pasar al estado sólido si sobre estos vapores se pone un objeto que está muy frío, entonces, los vapores se transformarán nuevamente en cristales de yodo.
¿Cómo se propaga el calor?
Transferencia de calor, en física, proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación.
Conducción
En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción. Si se calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por conducción. No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en los sólidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura. Esta teoría explica por qué los buenos conductores eléctricos también tienden a ser buenos conductores del calor.
Convención
Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que se producirá un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado convección. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad ( masa por unidad de volumen) suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural. La convección forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a las leyes de la mecánica de fluidos.
Radiación
La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la convección: las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por un vacío. La radiación es un término que se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas.
Reacción química
El calor también puede causar cambios químicos, pero éstos pueden ser provocados -además- por otras formas de energía. Se caracterizan porque se altera la naturaleza de la sustancia, son irreversibles y -siempre- dan origen a nuevas sustancias.
Reacción química , proceso en el que una o más sustancias —los reactivos— se transforman en otras sustancias diferentes —los productos de la reacción. Toda reacción química se puede representar a través de una ecuación química, es decir, la ecuación química es la representación escrita de una reacción química.
Una nueva sustancia
Cuando decimos que tras un cambio químico se forma una nueva sustancia, hacemos referencia a que las sustancias iniciales que participan en él son diferentes a las sustancias finales que se obtienen. Las sustancias iniciales se llaman reactantes y son las que inician un cambio al reaccionar entre sí. Las sustancias finales se llaman producto y son las que se obtienen después del cambio; corresponden a sustancias nuevas.
Si se quiere representar una reacción química a través de una ecuación química, ésta se puede escribir como:
A + B (C+D)
A+B son los reactantes y C+D son los productos
Tres tipos de reacciones
Tanto en el medio ambiente natural como en forma experimental es posible observar diferentes tipos de reacciones químicas, que pueden ser de sustitución, descomposición o síntesis.
De sustitución
Las reacciones de sustitución se producen cuando, al reaccionar ciertos compuestos entre sí, un átomo es desplazado por otro y se forman, de este modo, nuevas sustancias.
Por ejemplo: Metano + Oxígeno = Dióxido de Carbono + Agua
De descomposición
Son reacciones en las cuales sustancias complejas pueden llegar a formar sustancias más simples por efecto del calor.
Por ejemplo: Óxido de Mercurio + Calor = Mercurio + Oxígeno
De síntesis
Estas son reacciones en las cuales participan dos o más sustancias, que forman una nueva.
Por ejemplo: Cal + Anhídrido Carbónico = Carbonato de Calcio
Clasificación de los cambios químicos: dependiendo de la energía
Dependiendo de si desprenden o absorben energía, los cambios químicos se clasifican en reacciones endergónicas o exergónicas.
Reacciones endergónicas
Para que ocurran estas reacciones, es necesario que exista un aporte constante de energía. Las sustancias participantes – los reactantes – deben absorber energía para poder formar sustancias nuevas – los productos- En este caso, los productos tienen mayor cantidad de energía que las sustancias que sirvieron de reactantes.
Por ejemplo: Óxido de mercurio + Calor (Mercurio + Oxígeno)
En este tipo de reacciones se puede decir que la energía utilizada es un reactante más.
Reacciones exergónicas
Son las que liberan la energía al medio ambiente. Al reaccionar, los reactantes desprenden energía, además de formarse nuevas sustancias. En este tipo de reacciones químicas, los productos que se forman tienen menos cantidad de energía química que los reactantes.
Por ejemplo: Madera + Calor (Cenizas + humo + luz + anhídrido carbónico + calor + vapor de agua)
Todas las combustiones son ejemplos de reacciones exergónicas.
Es necesario aclarar que muchas de estas reacciones necesitan un pequeño aporte de energía para que se pueda iniciar la reacción, y la energía liberada es mucho mayor que la adicionada al principio de la reacción.
Velocidad de reacción
La transformación de reactantes en productos requiere de un cierto tiempo. Al tiempo que se demoran los reactantes en transformarse en productos se denomina velocidad de reacción.
Considerando el tiempo, se pueden observar:
- Reacciones rápidas: son aquellas en las cuales no es posible medir el tiempo mientras ocurren, por ejemplo, una explosión.
- Reacciones lentas: son todas aquellas en que es posible medir el tiempo en que ocurren. Para ello se usa un instrumento denominado cronómetro. Por ejemplo, se puede medir el tiempo que tarda una manzana en descomponerse.
Factores
La velocidad de reacción se puede modificar si se utilizan o manejan ciertos factores, tales como:
- Temperatura: Si una determinada reacción se realiza a una mayor temperatura, se obtendrán más rápidamente el o los productos. Esto indica que el tiempo de reacción es menor.
- Concentración de los reactantes: Mientras mayor sea la cantidad de reactantes que se utilice en una determinada reacción, mayor será la velocidad con que se forman el o los productos. Por ejemplo, si al encender un brasero se aplica aire (oxígeno) con un cartón o un secador de pelo, más rápidamente se encenderá el carbón.
- Grado de división de los reactantes: Si a una sustancia se le hace reaccionar dividida en pequeños trozos, más rápidamente ocurrirá la reacción. Por ejemplo, para hacer un puré de papas, éstas estarán cocidas antes si las cortamos en trozos pequeños, que si son cocidas enteras.
Existe otro factor que modifica la velocidad de reacción. Este corresponde a algunas sustancias que, al ser adicionadas a los reactantes, aceleran la reacción, es decir, ocurre en menor tiempo. Estas sustancias reciben el nombre de catalizadores.