Comprendiendo Materia y Energía: Propiedades y Mediciones Fundamentales
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La materia es aquello que ocupa una extensión en el espacio y posee volumen, masa y otras propiedades medibles. La energía, por su parte, es la medida de la capacidad para producir transformaciones en la naturaleza. Materia y energía en la naturaleza van íntimamente ligadas; todo lo que observamos son procesos de transformación de ambas.
Magnitudes Físicas y su Medición
La materia presenta una serie de cualidades o características medibles, denominadas magnitudes físicas. Medir es comparar una magnitud (propiedad medible) de la materia con una porción de su misma naturaleza que denominamos unidad, asignando un número a dicha propiedad.
La energía también tiene su forma de medirse y sus unidades correspondientes.
Magnitudes Fundamentales y Derivadas
Las magnitudes son fundamentales cuando se miden directamente y sus unidades se definen sin recurrir a ninguna otra. Las magnitudes son derivadas cuando se obtienen en función de las fundamentales, mediante una expresión matemática.
El Sistema Internacional (S.I.) es un conjunto de magnitudes fundamentales y sus unidades, que sirve como base para todas las demás unidades.
Magnitudes Fundamentales del S.I.:
- Longitud
- Masa
- Tiempo
- Temperatura
- Cantidad de sustancia
- Intensidad de corriente eléctrica
- Intensidad luminosa
Magnitudes Derivadas Comunes:
- Superficie
- Volumen
- Velocidad
- Fuerza
- Densidad
- Aceleración
- Energía
Unidades de Medida y Ejemplos
Longitud
La longitud se mide comparando el tamaño o extensión de un cuerpo con una extensión determinada llamada metro patrón. Originalmente, el metro se definió de forma que la longitud del meridiano terrestre entre el Polo Norte y el Ecuador, pasando por París, fuese 10.000.000 veces la longitud de ese metro. Hoy su definición es algo diferente, pero coincide en tamaño.
Masa
La masa se mide mediante una balanza, equilibrando la masa de un objeto con un patrón de masa cuyo valor es un kilogramo patrón. Inicialmente, el kilogramo se definió como la masa de 1 dm³ de agua pura a 4°C. Actualmente, el patrón de masa se conserva mediante un cilindro de platino e iridio de tamaño específico en un museo de París.
Tiempo
El tiempo se mide comparando la duración de un suceso con el movimiento de la aguja de un reloj o cronómetro, o con otros fenómenos periódicos como el movimiento del Sol en el cielo. El segundo se definió de manera que un día solar medio durase 86.400 segundos.
Temperatura
La temperatura se mide utilizando un termómetro que se pone en contacto con una sustancia durante un tiempo suficiente. Se observa el nivel que alcanza una columna de mercurio (u otro líquido) en su interior. Su unidad es el grado centígrado (°C) o el kelvin (K).
Densidad
La densidad es una magnitud característica de una sustancia pura y es equivalente a la masa de una unidad de volumen de dicha sustancia. Se determina mediante la fórmula: densidad = masa / volumen. Su unidad en el S.I. es kg/m³, aunque también se emplea el litro (L), equivalente a dm³.
Estados de la Materia y Propiedades Asociadas
Las sustancias puras se presentan en tres formas o estados diferentes:
Estado Sólido
Tiene forma propia y un volumen casi constante. Cambia ligeramente con la temperatura debido al fenómeno de la dilatación.
Estado Líquido
No tiene forma propia, pero sí un volumen casi constante. Se adapta al recipiente y apenas cambia con la temperatura.
Estado Gaseoso
No tiene forma propia y ocupa el máximo volumen disponible. Los gases se comprimen y expanden fácilmente. La presión es un factor muy importante en este estado.
Presión
La presión se define como la fuerza perpendicular ejercida sobre la unidad de superficie. Se calcula como: Presión = Fuerza / Superficie.
Teoría Cinética de los Gases
Según esta teoría, las partículas de un gas son muy pequeñas y están separadas, moviéndose a gran velocidad y ocupando todo el volumen del recipiente. Ejercen una fuerza sobre las paredes debido a los choques continuos, lo que resulta en la presión de los gases.
La temperatura es una medida de la velocidad media de las partículas del gas. La unidad básica es el kelvin (K), aunque también se utiliza el centígrado (°C). La temperatura expresada en kelvin es absoluta: T (K) = T(°C) + 273.
Cambios de Estado de la Materia
Las sustancias puras cambian de estado a temperaturas características:
- Fusión: Sólido a líquido.
- Solidificación: Líquido a sólido (contrario a fusión).
- Vaporización: Líquido a gas.
- Condensación: Gas a líquido.
- Sublimación: Sólido a gas.
- Sublimación regresiva: Gas a sólido (contrario a sublimación).