Esquema de las Ciencias Físicas: Materia y Energía

Este elemento es una expansión del contenido de los cursos y guías de Lawi. Ofrece un amplio esquema de las ciencias físicas (materia y energía). Nota: Consulte el esquema completo de las Ciencias de la tierra, el esquema completo de las Ciencias de la vida y el esquema completo de las Ciencias del Espacio.

Esquema de las Ciencias Físicas: Materia y Energía

Cabe señalar varios puntos sobre el alcance de este esquema y sus relaciones con las demás. Las propias ciencias de la física, la química y la astronomía han sido objeto de estudios históricos y analíticos sobre su naturaleza, alcance, métodos e interrelaciones.

El gran esquema sobre las ramas del conocimiento (véase), se ocupa de tales estudios. Varios de los esquemas ligados a las ramas del conocimiento se ocupa de las ciencias de la física, la química y la astronomía y trata su historia, su naturaleza y alcance, y sus principales problemas e interrelaciones.

El diseño y el funcionamiento de los instrumentos de observación y experimentación son importantes en el desarrollo de las ciencias físicas. El tratamiento de la instrumentación científica se sitúa en el esquema sobre la tecnología de la medición, la observación y el control.

Los relatos de los diversos tipos de matemáticas utilizados en la observación y los experimentos, y en la derivación y aplicación de las teorías físicas, se exponen en el esquema de matemáticas.

Las tres ciencias físicas, cada vez más complementarias, de la física, la química y la astronomía albergan los conocimientos y las teorías organizadoras sobre la materia en todas sus dimensiones, desde las partículas subatómicas hasta el cosmos, sobre todos los estados de la materia, todas las formas de energía y todas las interrelaciones de la materia y la energía.

El esquema de las ciencias físicas (materia y energía) se puede dividir en los siguientes esquemas:

• Los Átomos: Núcleos atómicos y partículas elementales (véase el esquema).
• La energía, la radiación y los estados y transformaciones de la materia (véase el esquema).
• El Universo: Galaxias, estrellas, el Sistema Solar (véase el esquema)

Esquema Completo de las Ciencias Físicas

El principal esquema de las Ciencias Físicas puede ser dividido entre lo siguiente:

• Estructura y propiedades de la materia
• Reacciones químicas
• Fuerzas e interacciones
• Energía
• Ondas y radiación electromagnética

Esquema de las Ciencias Físicas

Estructura y propiedades de la materia

• Metales alcalinos
• Enlace químico
• Elemento químico
• Afinidad de los electrones
• Configuración de los electrones
• Mendeleyev, Dmitri Ivanovich
• Hidruros metálicos
• Tabla periódica
• Valencia
• Átomo
• Punto de ebullición
• Cohesión (física)
• Primera medición directa de la fuerza de Van der WaalsInformación
• GrafitoArtículo
• Fuerzas intermoleculares
• Iones
• Punto de fusiónArtículo
• Molécula
• Tensión superficial
• Presión de vapor
• Rayos alfa, beta y gamma
• Reacción en cadena
• Vida media
• Fisión nuclear
• Fusión nuclear
• Reacción nuclear
• Radioactividad
• Cohesión (física)
• Conductividad eléctrica de los metales
• Fuerzas intermoleculares
• Ciencia e ingeniería de los materiales
• Mecánica molecular
• Simulación molecular
• Polímeros
• Química del estado sólido
• Física del estado sólido

Reacciones químicas

• Cinética química
• Cloro
• Configuración de los electrones
• Tabla periódica
• Valencia
• Enlace químico
• Energía química
• Enlace de hidrógeno
• Mecanismo de reacción orgánica
• Termodinámica química
• Colisión (física)
• Métodos cinéticos de análisis
• Equilibrio químico
• Termodinámica química
• Principio de Le Châtelier
• Procesos termodinámicos
• Conservación de la masa
• Mol (química)
• Estequiometría

Fuerzas e interacciones

• Aceleración
• Dinámica
• Fuerza
• Masa
• Newton, Isaac (Biografía)
• Las leyes del movimiento de Newton
• Momento angular
• Conservación del momento
• Conservación del momento
• Momento lineal
• Momento
• Entrada en la atmósfera
• Colisión (física)
• Impacto
• Impulso (mecánica)
• Paracaídas
• Coulomb, Charles Augustin de (Biografía)
• Ley de Coulomb
• Campo gravitatorio terrestre
• Carga eléctrica
• Campo eléctrico
• Electrostática
• Gravedad
• Gravedad
• Corriente eléctrica
• Electroimán
• Campo electromagnético
• Inducción electromagnética
• Electromagnetismo
• Magnetismo

Energía

• Conservación de la energía
• Conservación de la energía
• Energía
• Balance térmico
• Electrostática
• Energía
• Conversión de energía
• Movimiento armónico
• Eficiencia
• Generación de energía eléctrica
• Conversión de energía
• Fuentes de energía
• Motor
• Generador
• Motor
• Planta de energía
• Célula solar
• Energía solar
• Turbina
• Conversión de residuos en energíaArtículo
• Energía eólicaArtículo
• Termodinámica química
• Conducción del calor
• Convección térmica
• Transferencia de calor
• Principios termodinámicos
• Campo eléctrico
• Electromagnetismo
• Campos magnéticos elevados
• Fuerzas intermoleculares
• Imán

Ondas y radiación electromagnética

• Radiación electromagnética
• Sismología
• Sonido
• Sonido subacuático
• Longitud de onda
• Movimiento de las ondas
• Seguridad informática
• Tecnología de almacenamiento informático
• Comunicación de datos
• Tecnología de la información
• Red digital de servicios integrados (RDSI)
• Difracción
• Interferencias eléctricas
• Compatibilidad electromagnética
• Radiación electromagnética
• Ondas electromagnéticas
• Fotoquímica
• Fotoemisión
• Fotón
• Resonancia (circuitos de corriente alterna)
• Dispersión de la radiación electromagnética
• Absorción de la radiación electromagnética
• Absorción de la luz
• Bioelectromagnética
• Fotones
• Biología de la radiación

• Radio cognitiva
• Satélite de comunicaciones
• Holografía
• Láser
• Láser
• Espectroscopia láser
• Imágenes médicas
• Receptor de radio
• Célula solar
• Tecnología de ondas submilimétricas
• Comunicaciones inalámbricas de banda ancha WiMAX
• Rayos X

Datos verificados por: Thompson

Sobre las Ciencias Físicas, Materia y Energía

“Dadme materia y construiré un mundo con ella”. Durante 200 años, desde que el filósofo Immanuel Kant lo pronunciara, físicos, químicos y astrónomos se han esforzado por hacer buena esa jactancia. Que ahora puedan contar una historia casi ininterrumpida de los acontecimientos desde el nacimiento del universo hasta el origen de la vida en la Tierra es el resultado acumulado de muchas vidas dedicadas a la observación cuidadosa y a la experimentación. Sin embargo, incluso en medio de este éxito en la actualización de los primeros versículos del Génesis, surgen nuevas preguntas. ¿Por qué la materia conocida adopta las formas que adopta? ¿Se cumplen las leyes de la naturaleza que conocemos en todo el vasto y tumultuoso universo? ¿Qué mundos inimaginables de fuego o negrura puede conjurar la naturaleza, muy distintos del nuestro?

Cuando los hombres presumen de tomar el fuego del Sol y meterlo experimentalmente en una botella, pierden toda esperanza de certeza y reposo. Sin embargo, la gran búsqueda del control sobre la naturaleza comienza con bastante suavidad. Un niño jugando con bloques de construcción o con arena o con una pelota de goma es una mente humana atraída por descubrir cómo se comporta la materia. Los experimentos con la pelota de goma, por ejemplo, revelan leyes de reflexión. El niño descubre que la pelota volverá a él sólo si la proyecta con precisión en ángulo recto sobre una superficie plana (pared o suelo); de lo contrario, rebota lejos de él y otro niño puede cogerla e interrumpir el programa de investigación.

Si todos los niños adultos hubieran abandonado este tipo de juego, la especie humana seguiría creyendo que la Tierra está en el centro del universo, que los planetas son propulsados por el poder de los ángeles y que los truenos son la voz de Dios. Pero algunos adultos conservaron la inquisición sin límites de los jóvenes. Isaac Newton, que no era el más modesto de los descubridores, se comparaba a sí mismo con un niño jugando en la orilla del mar. Hoy en día, los críticos se refieren con mordacidad a los “juguetes caros” de los físicos que quieren muchos millones de dólares para construir un acelerador de partículas. No injustamente: un acelerador de partículas, con toda su asombrosa complejidad y coste, es simplemente una forma moderna de continuar los experimentos con la pelota de goma, para ver qué ocurre cuando la pelota es muy pequeña y viaja casi a la velocidad de la luz.

Por extraños caminos, el juego conduce a resultados de gran alcance. Tras el descubrimiento de que una corriente eléctrica crea magnetismo, Michael Faraday tomó nota para buscar la electricidad a partir del magnetismo. Jugó repetidamente con imanes y cables hasta que, diez años más tarde, descubrió la inducción electromagnética. Hoy, gigantescos turbogeneradores confirman su descubrimiento 60 veces por segundo, al alimentar de energía eléctrica nuestras fábricas y cocinas. En manos de James Clerk Maxwell, las corrientes eléctricas siempre cambiantes de Faraday se transformaron en ecuaciones matemáticas que predecían la existencia de ondas que viajaban a la velocidad de la luz -de hecho, eran la luz y radiaciones invisibles de un tipo similar, incluidas las ondas de radio. Otros investigadores que, sin darse cuenta, hacían pedazos los átomos, dieron con un haz de electrones que los inventores convirtieron en un lápiz mágico; hoy esas ondas y electrones permiten que hombres menores se acicalen en las pantallas de televisión de 260.000.000 de hogares.

En esta última parte del siglo XX, una prueba de asociación de palabras para físico puede muy bien evocar bomba. Por casualidad, los investigadores de la naturaleza de la materia y la energía tropezaron con una forma de abrir el almacén de energía en el núcleo del átomo justo en el momento en que la especie humana entraba en un periodo de guerra sin precedentes. Los enjambres de submarinos de propulsión nuclear que navegan con misiles nucleares que matan ciudades son un resultado bastante sombrío del “juego”. El hecho es que el corazón mismo de la física no está dirigido a ningún propósito de este tipo, sino que es un esfuerzo abierto y cooperativo de científicos de todas las naciones para comprender el universo material en el que vivimos.

Habitamos un mundo eléctrico. Es cierto que la gravedad nos impide caer de cabeza en el abismo del espacio; cierto también que la luz diurna que alimenta toda la vida procede del reactor nuclear que llamamos Sol. Pero del gran conjunto de fuerzas naturales conocidas por el físico -gravitatoria, nuclear y electromagnética- la última, el electromagnetismo, es la principal gobernadora de los acontecimientos en la Tierra.

Sin embargo, opera de forma tan discreta que cuando los hombres empezaron a frotarse ámbar en las mangas y descubrieron que atraía el polvo, o consideraron la aparente magia de la lodestone que señala el norte, nada sugería que se tratara de algo más que curiosidades. Hubo risas cuando Benjamin Franklin dijo que el rayo era eléctrico… hasta que lo demostró. Nada sugería que el color, la calidad y el comportamiento químico de toda la materia conocida se explicaran mediante la investigación de la electricidad y el magnetismo. Pero ésa es la naturaleza de la física: uno reflexiona sobre la caída de una manzana y se da cuenta de qué es lo que mantiene a los planetas en sus cursos; uno se fija en lo que ocurre cuando se hacen pasar corrientes eléctricas a través de un gas y, a su debido tiempo, descubre qué es lo que mantiene unida a una piedra y por qué la hierba es verde.

Una serie de descubrimientos a finales del siglo XIX y principios del XX iluminaron los mecanismos ocultos de nuestro mundo eléctrico como las conchas de las estrellas en una noche oscura. El diligente trabajo de los químicos había demostrado que toda la materia estaba compuesta por un gran número de átomos, diferentes para cada elemento químico y capaces de combinarse de forma predecible para formar moléculas y cristales. De hecho, existía un patrón notable en la llamada “tabla periódica”: cuando los elementos químicos se enumeraban por peso, resultaba que los elementos 3, 11 y 19 … tenían todos propiedades similares; 4, 12 y 20 … eran también muy parecidos, y así sucesivamente.

Este patrón sólo tuvo sentido cuando los físicos descubrieron la construcción de la materia atómica. Un átomo está formado por un núcleo pesado rodeado por una serie de electrones ligeros que neutralizan exactamente la carga eléctrica del núcleo. Los electrones se agrupan alrededor del núcleo en “cáscaras”, como las capas de una cebolla, siendo cada cáscara capaz de albergar un número definido de electrones. La cara externa del átomo, su capa más externa de electrones, es crucial para determinar su comportamiento químico. El número de electrones que cabe en ella depende de la carga del núcleo. En algunos elementos, los metales, sólo hay uno o dos electrones fácilmente separables en la capa más externa. Otros elementos, los no metales más reactivos, se quedan cortos por sólo uno o dos electrones en tener una capa más externa completa. Estos electrones “sobrantes” y “faltantes” crean una situación de oferta y demanda en la que los átomos se combinan químicamente intercambiando o compartiendo electrones. La repetición de las propiedades químicas a lo largo de la tabla periódica surge a medida que se completa una capa de electrones y comienza a llenarse la siguiente.

Los mecanismos esbozados en estas últimas frases explican casi todo el comportamiento químico de toda la materia de la Tierra. El comportamiento eléctrico y magnético de los materiales también depende de la disposición de los electrones en sus átomos y, en algunos casos, de los efectos combinados de muchos átomos empaquetados en un cristal. La fuerza de los enlaces químicos formados por electrones, y las fuerzas relacionadas entre moléculas, determinan si los materiales son sólidos, líquidos o gases; y ayudan a fijar la resistencia y flexibilidad de los sólidos, pero en este caso las explicaciones se complican por los defectos invisibles que existen en todos los materiales. El color de los materiales se explica por los “saltos”, de una posición a otra en la vecindad de un átomo, que las reglas permiten que haga un electrón cuando el átomo, la molécula o el cristal absorbe o emite luz de una energía, o color, particular. Haga que los mismos electrones de un gran número de átomos “salten” del mismo modo simultáneamente y tendrá un rayo láser muy intenso.

La luz y sus homólogos invisibles -ondas de radio, infrarrojos, ultravioleta y rayos X- son la forma más pura de energía. Estas “radiaciones electromagnéticas” se crean por la sacudida de los electrones, a veces con bastante suavidad, como en una antena de radio, y a veces con mucha fiereza, como cuando un haz de electrones en rápido movimiento es detenido de repente por el blanco en un tubo de rayos X. Los “saltos” normales de los electrones en los átomos son de intensidad intermedia. Todas estas formas radiantes de energía pueden viajar por el espacio vacío, por ejemplo del Sol a la Tierra.

Pero la energía puede cambiar fácilmente de una forma a otra. La luz solar captada por las hojas verdes se convierte en la energía química de la materia vegetal. El carbón es materia vegetal enterrada hace millones de años cuando los continentes chocaron, y una caldera puede convertir la energía química del carbón en un chorro hirviente de vapor que hace girar las aspas de una turbina: éstas son formas de energía cinética, la energía del movimiento dirigido. Utilizando el truco de Faraday, la turbina puede generar energía eléctrica. Al final de esta cadena de transformaciones, puede encender la energía eléctrica y reconvertirla en energía luminosa, disfrutando así de los beneficios de la luz solar después de que el Sol se haya puesto.

Las vibraciones del sonido y la energía gravitatoria del agua a punto de caer en cascada por la ladera de una montaña son otras formas de energía. Tarde o temprano, sin embargo, un grito se apaga, el agua se detiene, la luz de su bombilla eléctrica es absorbida por el papel pintado. ¿Dónde ha ido a parar la energía? Ha sido absorbida por esos movimientos aleatorios de átomos y moléculas que llamamos calor. Con el tiempo, toda la energía se degrada hasta convertirse en calor sin sentido.

A menos que hubiera suministros continuos de nueva energía, la vida y, de hecho, toda actividad interesante en el universo cesaría rápidamente. Por ejemplo, su cerebro se mantiene en funcionamiento gracias a la energía alimentaria-química producida por la luz solar en los últimos meses. Esos nuevos suministros de energía proceden de la transformación de la materia en energía.

El Sol es una estrella muy ordinaria, situada en los suburbios de una galaxia formada por unos 100.000.000.000 de estrellas; vemos la sección transversal más bien plana de la galaxia como la Vía Láctea, una pincelada de luz a través del cielo nocturno. Nuestra galaxia no tiene nada de especial; es sólo una de las numerosas galaxias dispersas como barcos en un gran océano espacial.

El universo es un campo de batalla entre la gravedad y las fuerzas nucleares. Para formar una estrella, la gravedad arrastra una masa de gas de hidrógeno; ésta se calienta y comienzan las reacciones nucleares. Los núcleos de los átomos de hidrógeno se combinan para formar elementos más pesados casi, pero no tanto, como la suma de los núcleos de hidrógeno que los formaron. La poca materia que se pierde se convierte en una cantidad relativamente inmensa de energía. Haría estallar la estrella de no ser por la extenuante contención de la gravedad. Se alcanza un equilibrio, y el tamaño y el brillo de una estrella dependen de su masa y de cuánto de su combustible nuclear se haya quemado. Afortunadamente, nuestra estrella, el Sol, es de combustión lenta; sin embargo, inexorables cambios físicos dentro de miles de millones de años harán que el Sol crezca hasta llenar todo nuestro cielo y tragarse la Tierra.

Basado en la experiencia de varios autores, mis opiniones, perspectivas y recomendaciones se expresarán a continuación (o en otros lugares de esta plataforma, respecto a las características en 2026 o antes, y el futuro de esta cuestión):

En una estrella más masiva que el Sol, esta “combustión” del combustible nuclear procede más rápidamente y culmina en una vasta explosión llamada supernova. En la explosión, las reacciones nucleares prosiguen a buen ritmo y dan lugar a los distintos elementos químicos. Los diversos átomos, más pesados que el hidrógeno, de los que están construidos nuestros propios cuerpos, se fabricaron en estrellas que explotaron antes de que se formara el Sol. Parte del material pesado quedó arremolinándose alrededor del Sol recién nacido y formó la Tierra. La energía radiactiva almacenada en algunos de los elementos proporcionó una fuente interna de calor a la Tierra que explica los volcanes, los terremotos y los lentos movimientos de los continentes. La luz del Sol agitó los materiales de la superficie de la Tierra hasta provocar su actividad química. Con el tiempo, esta actividad se organizó de formas peculiares y comenzó la vida.

Hasta aquí, todo bien. Pero hay nuevos misterios que están “fuera de este mundo”, en el sentido de que la materia y la energía están implicadas en acontecimientos mucho más violentos que cualquier cosa que se encuentre normalmente en la Tierra o incluso en el Sol. Las cuestiones primordiales con las que luchan ahora los físicos pueden parafrasearse de la siguiente manera: ¿Por qué el hidrógeno es la materia prima del universo? Los experimentos con el núcleo del átomo de hidrógeno -el protón- se llevan a cabo en los grandes aceleradores que transforman la materia del núcleo atómico en extrañas partículas de corta vida. Estas partículas tienen propiedades, similares a la carga eléctrica, llamadas hipercarga y número de bariones. Por ejemplo, el propio protón tiene, además de una carga eléctrica de +1, una hipercarga de +1 y un número de bariones de 1. Por mucho que las partículas se transformen en interacciones violentas, los totales de carga, hipercarga y número de bariones no cambian.

Intentando averiguar por qué se mantiene este orden parcial en medio de las confusas variedades de la materia nuclear, los teóricos se ven abocados a la idea de que las partículas que vemos consisten en combinaciones de otras partículas bastante diferentes a las que han dado el nombre de quarks. Uno de los primeros éxitos de esta teoría fue la predicción de la existencia de una nueva combinación, una partícula llamada omega menos que acabó apareciendo en 1964 durante un experimento con la gran máquina del Laboratorio Nacional de Brookhaven, Long Island, N.Y. Los quarks propiamente dichos no han sido descubiertos en el momento de redactar este artículo.

El próximo gran salto en la comprensión bien podría llegar cuando la teoría de cómo se comportan los pequeños trozos de materia se mezcle con la teoría de la gravedad, que en la actualidad concierne a los enormes trozos de materia que conforman nuestro universo de galaxias, estrellas y planetas. Con una teoría “unificada” de este tipo, los físicos podrán por fin responder a esa pregunta sobre la materia prima del universo: ¿por qué el hidrógeno? Al mismo tiempo, quizá lleguemos a comprender por qué se formó la materia en el “big bang”, con el que (como muchos astrónomos suponen ahora) el universo comenzó a existir hace unos 10.000.000.000 de años, o por qué el “big bang” no fue simplemente un “gran destello”.

Incluso un avance tan fundamental no agotaría las posibilidades de nuevos descubrimientos en las ciencias físicas. Otro conjunto de problemas preñados resulta de objetos muy extraños descubiertos recientemente en el cielo, a saber, las galaxias “calientes”, los cuásares y los púlsares. Los cuásares, en particular, son objetos compactos de una energía tan extraordinaria que las leyes existentes de la física apenas parecen capaces de dar cuenta de ellos. Los púlsares, que parpadean muchas veces por minuto, son también muy extraños, pero menos desconcertantes. Evidentemente, son restos de estrellas explotadas que se han colapsado hasta alcanzar la enorme densidad del material del núcleo atómico. Si un transatlántico se comprimiera hasta alcanzar la densidad de un púlsar, no sería más grande que un grano de arena.

Las pruebas de los púlsares alientan otra idea, una de las más extrañas de toda la historia del estudio de la materia y la energía por el hombre. En un púlsar, las fuerzas nucleares impiden el colapso a densidades aún mayores. Pero si la estrella colapsada fuera aún más masiva, la gravedad sería más fuerte y superaría incluso a las fuerzas nucleares. Entonces no habría nada que detuviera el proceso hasta que toda la estrella se hubiera colapsado hasta ser más pequeña que un cacahuete. A través del intenso campo gravitatorio así creado, ninguna luz podría escapar, y la estrella desaparecería de hecho del universo. Sólo quedaría su gravedad, como la mueca del Gato de Cheshire en Alicia en el País de las Maravillas, y, si un viajero espacial se topara con uno de estos “agujeros negros”, él también se vería atraído hacia el mismo núcleo invisible, allí para desaparecer para siempre… o al menos hasta que cambien las leyes de la física.

La posibilidad de que existan tales agujeros negros permite albergar la esperanza de explicar los cuásares como objetos de este tipo de los que de algún modo “rebota” material. Pero eso es sólo un pequeño consuelo cuando los científicos tienen ahora que reexaminar la teoría de la gravedad, que creían que Einstein había aclarado hace 60 años, y elaborar las implicaciones de un universo salpicado de agujeros negros en el que es poco probable que se apliquen las conocidas leyes de la naturaleza. Existe incluso la incómoda sugerencia de que ¡todo nuestro universo puede ser sólo un gran agujero negro en el universo de otra persona! La física, la ciencia maestra, no puede eludir estas nuevas batallas de la mente.

Revisor de hechos: Brite
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Recursos

Notas y Referencias

Véase También

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