Materia y energía

Los seres humanos somos capaces de percibir y comprender la realidad que nos rodea. La percibimos gracias a nuestros sentidos, o a herramientas construidas por nosotros que los complementan, pero para comprenderla necesitamos establecer "categorías" o "clases" que nos permitan relacionar lo que observamos. Para hacerlo, para clasificar la realidad, necesitamos prestar atención a las propiedades o cualidades de lo que hemos observado. Clasificar es, precisamente, repartir los objetos en clases según sus propiedades.

Al observar lo que nos rodea hemos clasificado los elementos que somos capaces de percibir en diferentes categorías generales: todo lo que podemos percibir pertenece a una de esas grandes categorías, que son la información, el tiempo, el espacio, la materia o la energía.

La materia es todo lo que forma la realidad que percibimos, mientras que el resto de las categorías guardan algún tipo de relación con ella. Las características fundamentales que nos permiten asegurar que algo que observamos es materia son las siguientes:

• Tiene dimensiones, es decir, ocupa un lugar en el espacio y en el tiempo.
• Tiene inercia, se resiste a cambiar su estado de reposo o de movimiento.
• Es la causa de la gravitación: cualquier trozo de materia atrae hacia sí a toda la materia.

Nosotros podemos captar mediante nuestros sentidos o instrumentos todas esas propiedades (es decir, las percibimos), pero también podemos medirlas. Esto nos permite estudiar la materia en profundidad.

La materia forma objetos o cuerpos, que son fragmentos limitados de materia que ocupan un cierto volumen y tienen una cierta masa.

Otra característica de la materia es que está formada por la unión de fragmentos muy pequeños, de forma que nosotros podemos ir rompiendo un cuerpo obteniendo cuerpos cada vez más pequeños, hasta llegar a las unidades mínimas que forman la materia, que ya no se pueden seguir dividiendo.

Las propiedades de la materia

Cuando estudiamos la materia podemos distinguir dos grandes tipos de propiedades diferentes: las propiedades generales son similares para todos los tipos de materia, de forma que no permiten diferenciar una clase de materia de otra, mientras que las propiedades intrínsecas son propias de cada tipo de materia y nos permiten distinguir unas sustancias de otras. Las propiedades de la materia pueden ser extensivas, si dependen de la cantidad de materia que tenemos (por ejemplo el volumen o la masa), o intensivas, si no dependen de la cantidad de materia, como el punto de fusión o la densidad.

Todas las propiedades de la materia pueden ser distinguidas cualitativamente, es decir, podemos encontrar alguna forma de observar esa propiedad de forma separada a las demás propiedades del cuerpo. Algunas de ellas, además, también pueden ser cuantificadas, es decir, pueden medirse. Las propiedades de la materia que pueden ser distinguidas y medidas se llaman magnitudes físicas. Cuando se mide una magnitud lo que se hace es comparar el valor de la propiedad con un valor que consideramos la "unidad" de esa propiedad, por lo que siempre que se expresa la medida de una magnitud física hay que indicar la unidad en la que se ha medido.

Cuando se hacen operaciones matemáticas con magnitudes físicas no solo hay que tener en cuenta las cantidades que se han medido, sino también las unidades que se utilizan. Las magnitudes siempre tienen que indicar la unidad en la que van expresadas. No se puede decir que un objeto mide 5, o pesa 10; hay que dejar claro en qué unidad hemos medido la magnitud (5 metros, o 10 kilogramos).

Las propiedades diferentes no pueden sumarse ni restarse, y las magnitudes en las que se miden tampoco. Pero tampoco pueden sumarse o restarse cantidades de la misma magnitud que están medidas en unidades diferentes; por ejemplo, no podemos sumar longitud y masa, ni tampoco 2 km y 50 cm, o 4 km y 2 millas, aunque en estos dos últimos ejemplos todas las medidas correspondan a la misma magnitud, la longitud.

Si queremos sumar o restar cantidades de la misma magnitud expresadas en diferentes unidades, hay que empezar por transformarlas, expresándolas en la misma unidad, antes de sumarlas. Para multiplicar o dividir cantidades de la misma magnitud también hay que expresarlas antes en la misma unidad.

En cambio, es posible multiplicar o dividir entre sí cantidades de magnitudes diferentes. Al hacerlo, ponemos en relación esas dos propiedades y obtenemos otra diferente, que se mide en unas unidades distintas. Al multiplicar o dividir magnitudes también se multiplican o se dividen entre sí sus unidades.

Para hacer cálculos con unidades distintas de la misma magnitud hay que transformar unas unidades en otras. Para hacerlo, se multiplica la cantidad que nos dan, en su unidad correspondiente, por una fracción llamada factor de conversión que indica la relación entre las dos unidades.

Cambios

Un cambio es una modificación en las propiedades de un cuerpo. Los cambios físicos se deben a que los objetos se relacionan entre ellos, interactuando. Es decir, si dos objetos interactúan, cada uno de ellos produce un cambio en el otro. Los diferentes tipos de interacción que se dan entre los cuerpos se llaman fuerzas, y existen varias clases de ellas:

• Fuerza gravitatoria: es la atracción entre todos los cuerpos debida a que tienen masa.
• Fuerza electromagnética: se debe a la atracción o la repulsión entre cargas eléctricas, quietas o en movimiento.
• Fuerzas nucleares: son las que mantienen unidas las partículas que forman los núcleos de los átomos.

Siempre que ocurre un cambio se produce un paso de energía de un cuerpo a otro, de forma que el cuerpo que tiene más cantidad de energía le cede una parte al otro.

Los cambios que sufren los cuerpos pueden ser de distinto tipo:

• Cambios fisicos: se modifican las características de los objetos, pero las sustancias que los forman siguen siendo las mismas, porque cambian las propiedades de los cuerpos o de las moléculas, pero no las propias moléculas. Incluyen modificaciones en la posición que ocupan los cuerpos, su movimiento, su forma o el grado de unión entre las moléculas que los forman.
• Cambios químicos: alteran las moléculas que forman el cuerpo, haciendo que unas se transformen en otras, pero no cambian sus átomos.
• Cambios nucleares: hacen que unos átomos se transformen en otros.

 

La energía

La energía es una propiedad abstracta de los cuerpos o sistemas materiales. Toda la materia tiene siempre una cierta cantidad de energía, pero no toda la energia puede ser observada en todo momento sino que se aprecia cuando se produce cualquier tipo de transformación o cambio.

Hay otra forma de ver esta relación entre energía y cambios: todos los cambios que ocurren en el universo necesitan que se produzcan intercambios de energía entre sistemas materiales.

La energía es una magnitud física que se puede medir. La unidad de energía en el sistema internacional es el Julio, aunque también es bastante habitual utilizar la caloría.

Propiedades de la energía

• La energía no puede crearse ni destruirse.
• Puede aparecer en distintas formas (energía eólica, hidráulica, química...), cada una de las cuales se relaciona específicamente con un tipo concreto de cambios.
• Las diferentes formas de energía pueden transformarse entre sí.
• La energía puede pasar de unos sistemas a otros, siempre en la misma dirección: desde el sistema que tiene más energía hacia el que tiene menos.
• Cada transferencia de energía, o cada transformación de una forma de energía a otra, supone que una parte de esa energía se transforme en calor, que pasa al entorno que rodea al cuerpo. El calor es una forma degradada de energía.

Al decir que cada forma de energía se relaciona con un tipo concreto de cambios se quiere decir que cada forma de energía puede utilizarse en algunas transformaciones, pero no en otras. Por eso se habla de que la energía puede tener más o menos "calidad". El calor es la forma más degradada de energía porque es la que puede provocar menos tipos de cambios, y por lo tanto la que resulta menos útil al tratar de aprovecharla.