Ciències naturals: cicles de la Terra, matèria i energia

Cicle de l'aigua

Estructura i materials

• L'aigua es troba en molts magatzems diferents, tant visibles com no visibles, incloent-hi magatzems superficials (rius, llacs, glaceres), atmosfèrics (vapor, núvols), oceànics i subterranis (aqüífers, humitat dels sòls). Els éssers vius també emmagatzemen aigua.
• L'aigua es pot trobar en estat sòlid, líquid o gas.
• El tipus de sòl afecta la infiltració i l'acumulació d'aigua als magatzems superficials i subterranis.
• L'aigua per al consum humà s'extreu de magatzems naturals o d'embassaments creats pels humans; la seva circulació és contínua.

Processos i canvis

• Hi ha diversos processos (evaporació, condensació, precipitació, infiltració, etc.) que permeten que l'aigua es mogui dins d'un mateix magatzem (circulació superficial, subterrània, oceànica, atmosfèrica) o entre magatzems.
• La potabilització fa que l'aigua sigui apta per al consum humà, i la depuració millora la qualitat de l'aigua residual abans de retornar-la al medi o reutilitzar-la.

Control i regulació

• L'energia del Sol és l'agent causal que possibilita el canvi d'estat i fa que el vapor pugi cap a l'atmosfera.
• La força de la gravetat és l'agent que provoca el retorn de l'aigua a l'oceà o el seu descens (precipitació, flux superficial, etc.).
• La quantitat global d'aigua es conserva, ja que el cicle natural de l'aigua és un sistema tancat quant a entrades i sortides.
• El cicle urbà, impulsat per la gravetat i el bombeig, consumeix energia i recursos; l'augment del consum redueix la disponibilitat d'aigua de qualitat per al consum humà.

Cicle de les roques

Estructura i materials

• L'escorça de la Terra està formada per roques i minerals.
• Totes les roques tenen un origen inicial magmàtic (quan la Terra era fosa o semifosa).
• Les roques s'agrupen en tres classes principals segons els processos pels quals han passat.

Tipus de roques

• Ígnies o magmàtiques: resulten de la solidificació del magma.
• Sedimentàries: s'originen a la superfície terrestre per meteorització, erosió, transport, sedimentació i cimentació o compactació.
• Metamòrfiques: es produeixen per modificació física o química de roques preexistents sota condicions d'alta pressió i temperatura, sense arribar a fondre's.

Processos i canvis

• Les roques es modifiquen al llarg del temps, transformant-se les unes en les altres.
• El cicle de les roques permet entendre l'origen dels tres tipus de roques i els processos geològics que intervenen en la seva transformació.

Control i regulació

• Els processos són impulsats per la calor interna de la Terra (formació de roques ígnies i metamòrfiques) i per l'energia del Sol i la gravetat (formació de roques sedimentàries).
• En el cicle de les roques, la matèria es conserva i es recicla.
• L'activitat humana (ús de roques per a edificis, etc.) també influeix en aquest cicle.

Estructura i dinàmica de la Terra

Estructura i materials

• La Terra està composta per diferents capes: escorça, mantell i nucli; la composició pot ser sòlida o parcialment fluida segons la profunditat.
• L'escorça es divideix en plaques tectòniques que es mouen lentament sobre el mantell.
• La distribució de les capes es basa en la densitat dels materials.

Processos i canvis

• El moviment de les plaques (acostament, allunyament o desplaçament lateral) causa la major part d'estructures continentals i oceàniques, així com la formació de volcans i terratrèmols.
• Les roques són sotmeses a esforços (compressió, distensió) que provoquen deformacions:
  • Elàstica (temporal).
  • Plàstica (permanent, formant plecs com muntanyes).
  • Fràgil (trencament, formant falles).
• Els terratrèmols són l'alliberament sobtat de l'energia elàstica emmagatzemada lentament.

Estructura de la matèria

Estructura i materials (nivell micro)

• La matèria que percebem com a contínua a nivell macro s'ha d'imaginar com a discontínua, formada per partícules que expliquen les seves propietats i canvis.
• Les partícules són molt petites (invisibles) i entre elles hi ha espai buit.
• Les partícules es mouen constantment; la temperatura afecta el seu moviment (a més temperatura, moviment més intens).
• Les partícules estan unides per forces i les propietats macroscòpiques s'expliquen per la seva naturalesa i distribució.

Estats d'agregació

• Sòlids: partícules ordenades o desordenades, unides amb prou força per mantenir la forma (rigidesa).
• Líquids: partícules desordenades amb forces d'atracció moderades, que permeten el moviment entre elles.
• Gasos: partícules molt separades que es mouen lliurement i ocupen tot l'espai disponible; les forces d'unió són molt febles.

Canvis febles de la matèria

Definició (nivell macro)

• La substància original es conserva abans i després del canvi.
• Es poden observar canvis en les propietats extensives (massa, volum).
• Exemples típics: canvis d'estat (fusió, evaporació), dilatació i dissolució/barreja.

Barreges i dissolucions (nivell micro)

• La mida de les partícules influeix en si es barregen fàcilment.
• En una mescla homogènia, les partícules d'una substància poden ocupar els espais buits entre les partícules de l'altra, fent que el volum total pugui ser inferior a la suma dels volums inicials (per exemple, aigua i alcohol).
• Proporcionar calor (energia) incrementa el moviment de les partícules, afavorint la difusió i la mescla.

Control i regulació

• Els processos interns estan impulsats per l'energia tèrmica i per la gravetat.
• La velocitat dels canvis (graduals o sobtats) depèn de factors com la temperatura, la pressió i la composició.

Canvis d'estat (explicació micro)

• Els canvis d'estat són modificacions del moviment de les partícules causades per l'energia i la pressió a què estan sotmeses.
• La pressió influeix en el punt d'ebullició: si es redueix la pressió, l'aigua pot bullir a temperatures més baixes perquè hi ha més espai perquè les partícules esdevinguin vapor.
• La mida i la forma de les partícules de la substància es mantenen durant els canvis d'estat.

Canvis de matèria (químics)

Definició (nivell macro)

• La substància inicial (reactiu) és diferent de la substància final (producte) obtinguda després del canvi.
• Hi ha canvis en les propietats intensives (color, densitat, punt de fusió), cosa que indica la formació d'una nova substància.
• Exemples típics: combustió, oxidació, respiració i digestió.

Explicació (nivell micro)

• La massa es conserva en tots els canvis, ja que la quantitat total d'àtoms és la mateixa abans i després; si es percep una pèrdua de massa, sovint és perquè no s'ha mesurat un gas o un altre producte.
• En un canvi químic, les unions fortes entre partícules atòmiques es trenquen i se'n formen de noves, recombinant-se i donant lloc a noves substàncies.

Tipus de canvis químics

• Combustió (oxidació orgànica): interacció amb l'oxigen i producció de diòxid de carboni i aigua (entre altres productes).
• Oxidació (inorgànica), com la del ferro: combinació amb l'oxigen per formar una nova substància (òxid de ferro).

Cos humà: mirada didàctica

• Cal promoure una mirada sistèmica i contextualitzada, evitant estudiar els sistemes del cos humà de manera aïllada (enfocament segmentat i estàtic).
• Les maquetes no han de ser còpies 3D estàtiques de les estructures, sinó que han de ser dinàmiques i simbolitzar els processos i canvis (per exemple, com arriba la matèria a la cèl·lula).

Cel i llum

Fenòmens astronòmics: estacions i moviment

• La inclinació de l'eix de rotació de la Terra i el seu desplaçament al voltant del Sol (translació) són la causa de les estacions i de la diferent quantitat i intensitat de llum que reben els hemisferis.
• La distància no és l'únic factor que influeix en la il·luminació; també ho fa la inclinació dels rajos de llum.
• El Sol surt exactament per l'Est i es pon per l'Oest dues vegades a l'any (equinoccis de primavera i tardor), a causa de la inclinació de l'eix i els moviments de la Terra.

Naturalesa i comportament de la llum

• Les fonts de llum (com el Sol) emeten llum.
• La llum viatja en línia recta per l'espai en forma de rajos.
• La visió es produeix quan la llum viatja de la font a l'objecte i després es reflecteix o es dispersa cap al nostre ull.

Interacció amb materials

• Els objectes poden ser: opacs (no deixen passar la llum, formant ombres), transparents (deixen passar la llum), translúcids (deixen passar la llum parcialment) o reflectors (la llum rebota i canvia de direcció).
• La il·luminació depèn de la quantitat de rajos que rep un objecte.

Màquines i circuits

Màquines simples: forces i esforç

• Les màquines simples (politja, palanca, pla inclinat) són enginys desenvolupats per facilitar la feina.
• Les màquines ajuden a aplicar la mateixa força en una direcció més còmoda (per exemple, una politja simple permet estirar cap avall en lloc de cap amunt).
• També permeten aplicar menys esforç a canvi d'un major recorregut o més temps (com la palanca o el pla inclinat).

Fenòmens físics i energia (context general)

• La física estudia canvis en el moviment, la temperatura, la lluminositat i la càrrega elèctrica.
• En tots els fenòmens físics hi ha una transferència d'energia.
• Aquesta transferència implica que una part del sistema guanya energia i una altra perd energia; l'energia no és una substància material que es transfereix literalment.
• L'electricitat consisteix en el moviment de càrregues, generat per fonts (generadors) i oposat per resistències (receptors); s'utilitza per il·luminar o moure dispositius.

Forces, massa i pes

• La força és una interacció entre dos cossos o substàncies, no una propietat inherent que els objectes 'tenen'.
• Les forces poden ser d'impulsió o tracció; sempre apareixen en parelles (acció i resposta recíproca).
• Una força pot deformar un cos o modificar-ne el moviment (aturar-lo, accelerar-lo o canviar la seva direcció).
• La massa és la quantitat de matèria (mesurada en kg) i és constant per a un cos, independentment de la seva ubicació.
• El pes és la força amb què un planeta atrau una massa i pot variar segons la gravetat local.

Flotabilitat i empenta

• Els fluids (com l'aigua) exerceixen una força d'empenta que actua cap amunt, oposant-se al pes.
• Un objecte està en equilibri quan la força d'empenta i la gravetat es contraresten.
• La força d'empenta és proporcional al volum submergit de l'objecte.
• Principi d'Arquímedes: Un cos submergit rep una força d'empenta igual al pes del volum de fluid desallotjat.
• La flotabilitat depèn de la densitat relativa de l'objecte respecte al fluid; si un objecte conté aire, la seva densitat total disminueix i pot flot