Arquímedes

 Se le llama fenómeno a todo cambio o alteración que sufren o experimentan la materia y la energía. Cuando se produce un cambio, pero la materia no se modifica, se produce un fenómeno físico; por ejemplo: un trozo de madera que es cortado en pedazos más pequeños; un clavo que es atraído por un imán; el agua que se evapora, o romper un huevo.

     Cuando se produce un cambio y la materia se transforma dando lugar a nuevas sustancias, se produce un fenómeno químico. Por ejemplo: un trozo de madera que se quema; un clavo que se oxida; el agua que se descompone en hidrógeno y oxígeno, o freír un huevo.

     Tanto los fenómenos físicos como los fenómenos químicos van acompañados de transformaciones de la energía. Veamos el caso del agua, su papel, su ciclo y su importancia como vehículo energético.

     Todos tenemos una idea más o menos clara del papel preponderante que desempeña el contenido de agua de la atmósfera. Continuamente se está evaporando y precipitando este líquido en lugares que pueden ser próximos entre sí o no, originando el conocido ciclo del agua: ésta se evapora de los océanos, mares interiores, vegetación y suelos húmedos; es transportada en forma de vapor a lugares muchas veces distantes miles de kilómetros; se condensa, produciendo las nubes, y, finalmente, se precipita como agua líquida, granizo, nieve, etc., para regresar a los mares encauzada por ríos y corrientes subterráneas, o también directamente, por precipitación sobre los mismos mares.

Ciclo del agua.

     Destaquemos la imponente cantidad de energía que se transforma en tan magna e ininterrumpida operación.

     El agua ha de "viajar" y elevarse a cierta altura sobre el nivel del mar, adquiere así una energía cinética en razón de su movimiento y otra energía, llamada potencial, por el hecho de su elevación sobre el suelo. Es decir, se realiza trabajo tanto para evaporar el agua como para conferir un movimiento al vapor o las gotitas, o para elevarlos a una cierta altitud, y el agua contenida en un cumulonimbus (o nube) puede alcanzar las 300 mil toneladas. No obstante, estos dos últimos componentes de la energía del agua de la atmósfera son muy pequeños comparados con el primero; el calor necesario para evaporarla.

    Por suerte, esta energía recibida del Sol queda almacenada en forma de calor latente en el propio vapor. Si se le quita calor a éste, enfriándolo, vuelve a pasar a agua líquida, en el fenómeno de la condensación (tal como ocurre cuando dirigimos el aliento, formado por aire cargado de vapor de agua proveniente de nuestros pulmones, sobre el cristal de una ventana; éste se "empaña" porque el vapor se condensa en su superficie).

     Podemos concluir que evaporación y condensación son dos fenómenos inversos: la energía utilizada en causar la primera es devuelta cuando se produce la segunda, pues, al fin y al cabo, lo que se ha hecho al calentar el agua para convertirla en vapor, ha sido separar sus moléculas, dotándolas de energía suficiente para que se muevan a mayor velocidad y escapen de la atracción que unas ejercen sobre las otras. Si se vuelven a poner muy próximas, bien por "compresión", como en el frigorífico, o quitándoles calor para que se desplacen más despacio, las fuerzas de atracción actúan de nuevo y el vapor se condensa. Por tanto, el aire húmedo tiene un verdadero "capital" de energía almacenada en su contenido de vapor de agua. Lo importante es la comprensión del hecho de que cuando el agua se mueve como vapor, desde la superficie del mar hasta cierta altura de la atmósfera, no sólo se ha transportado materia agua, sino también energía; el calor latente contenido en el vapor.

     Desde que es evaporada hasta que vuelve al mar, una molécula de agua permanece en la atmósfera unos 11 días, durante los cuales suele desplazarse hasta 1 000 km de su lugar de partida. De nuevo nos asombramos del maravilloso equilibrio que representa nuestra atmósfera: un poco más o un poco menos de radiación solar, y se desequilibraría todo el juego de temperaturas que hace posible nuestra vida tal como la entendemos.

     En cuanto a los cambios de estado, en los fenómenos químicos se producen sustancias nuevas a partir de las originales y se modifica la composición química. Por ejemplo, al calentar carbón con oxígeno, éste se transforma en una nueva sustancia que es el dióxido de carbono, desprendiendo gran cantidad de energía calorífica (calor y luz).

     Cuando la combinación de una sustancia con el oxígeno es muy rápida, se produce energía calorífica y luminosa (flama). Esta transformación se conoce como combustión.

     Las sustancias que reaccionan con el oxígeno y producen gran cantidad de calor y energía luminosa se llaman combustibles.

     La flama se produce por la combustión incandescente de gases. Los vapores que desprende la cera de una vela constituyen el combustible de la flama.

     Para iniciar la combustión se necesita calor. Por ejemplo, en el punto de fricción entre la cabeza de un cerillo y una superficie rugosa, se eleva notablemente la temperatura provocando que las sustancias reaccionantes se descompongan; una libera oxígeno y la otra se combina con él, desprendiendo gran cantidad de energía calorífica que mantiene activa la reacción.

    Otro fenómeno es la formación de compuestos. Los compuestos son sustancias que se forman cuando los átomos de dos o más elementos se combinan químicamente entre sí. Sus propiedades particulares y su composición es fija a través de toda su masa, es decir, cuando los elementos se combinan para formar compuestos, lo hacen en cantidades perfectamente determinadas (a diferencia de las mezclas).

      Esto permite representar a los compuestos por medio de fórmulas, expresadas con los símbolos y el número de átomos de cada elemento que los compone. Las propiedades de los compuestos son diferentes de las que poseen los elementos antes de combinarse.

     Reconocer y diferenciar una mezcla de un compuesto ofrece cierta dificultad si no se conocen las características generales de estas sustancias. Existen tres tipos: mezcla, mezcla heterogénea y mezcla homogénea.

     Una mezcla se forma uniendo ingredientes que no se combinan químicamente entre sí. Las mezclas no se representan por medio de fórmulas debido a que no tienen composiciones fijas. Cada uno de los componentes de una mezcla mantiene sus propiedades originales.

     A las mezclas heterogéneas también se les puede llamar mezclas mecánicas, porque siempre tienen cuando menos dos partes o fases, que son fácilmente identificables, las cuales corresponden a las sustancias que las forman. Las sustancias pueden mezclarse en cualquier proporción. Si tomamos un poco de agua, un poco de arena y las revolvemos, obtendremos un ejemplo claro de lo que es una mezcla heterogénea.

      Las mezclas homogéneas suelen llamarse también disoluciones. Constan de dos o más sustancias mezcladas o disueltas en una sola fase aun bajo microscopio. En el caso de ciertas disoluciones existe un límite de solubilidad de una sustancia en otra, así por ejemplo, no se pueden disolver más de 36 g de sal común en un litro de agua si ésta no se calienta. Sin embargo, sí se pueden preparar disoluciones con cantidades menores de sal (en un litro de agua) según se desee. Por lo tanto, con sólo dos sustancias se forman numerosas soluciones de concentraciones distintas.

      En las disoluciones es útil emplear los términos soluto y disolvente; en general, se llama disolvente a la sustancia más abundante, y soluto a la que está en menor cantidad; no obstante, estos términos pueden intercambiarse si así conviene. Por ejemplo, en una mezcla de agua y alcohol decimos que el agua disuelve al alcohol o que el alcohol disuelve al agua.

      Las disoluciones se presentan en los tres estados de la materia: disoluciones gaseosas. Las mezclas de gases son homogéneas y constituyen una disolución. El aire puro es un ejemplo de disolución gaseosa.

      Las disoluciones sólidas son aquellas en las que un sólido se halla disperso en la totalidad de otro sólido. Tienen enorme importancia práctica, pues constituyen una elevada proporción de las aleaciones. Una aleación es la mezcla de dos o más metales. Ejemplos de aleaciones son el bronce, el latón, el acero y las amalgamas.

     Las mezclas pueden separarse por medio de operaciones físicas y hasta mecánicas, que son relativamente sencillas. Entre las principales están: decantación, filtración, evaporación y sublimación.

Decantación

La decantación es una operación mecánica cuyo objetivo es separar un líquido de una sustancia insoluble (sólida o líquida). La operación puede efectuarse por medio de sifones, pipetas, embudos de separación, etcétera. De esta manera se separa una mezcla de agua y aceite mediante un embudo de separación, o una mezcla de agua con arena en un vaso de precipitados, dejando reposar la mezcla hasta que sedimente la arena y luego vertiendo lentamente el agua procurando dejar en el vaso el sedimento.

Filtración

La filtración es la operación mecánica que permite separar sustancias sólidas insolubles y sustancias líquidas que se encuentran mezcladas. Se aprovecha la propiedad que tienen los filtros de ser permeables a los líquidos y retener los cuerpos sólidos. Así, cuando se quiere separar una mezcla de agua con azufre u otra sustancia insoluble, basta verter la mezcla en un embudo con papel filtro montado sobre un recipiente.

Evaporación

La evaporación consiste en la conversión gradual de un líquido en gas, sin que el agua tenga que hervir. Un ejemplo de cómo funciona la evaporación sería el siguiente: en una tina u otro recipiente grande vertimos agua salada hasta alcanzar una altura de 5 cm; colocamos en el centro un vaso vacío (menos alto que la tina). Tapamos la tina con un plástico transparente, lo estiramos y lo pegamos alrededor con cinta adhesiva, y colocamos una piedra o cualquier objeto pesado sobre el plástico exactamente arriba del vaso (cuidando de que el plástico no roce el vaso). Colocamos la tina en un lugar donde le dé el Sol todo el día y ahí podemos observar perfectamente este fenómeno.

Sublimación

La sublimación es una propiedad física que se presenta en algunas sustancias, la cual consiste en la conversión directa de un sólido en vapor sin pasar por el estado líquido. Por ejemplo, a presión ambiente, el yodo y el hielo seco se subliman. Esta propiedad se aprovecha para separar de algunas mezclas las sustancias que se subliman.

 

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