En este artículo hablaremos sobre conducción, convección y radiación, las tres formas en las que la energía puede transferirse.
Ejemplos de transferencia de energía
Seguramente, ya sabes que el calor es transferencia de energía. El problema que se puede presentar ahora es saber cómo ocurre esa transferencia de energía. ¿Existen varias formas? ¿Hay una sola forma de transferir energía de un cuerpo a otro? Para responder estas preguntas, analicemos las siguientes situaciones:
Un chico coloca una sartén sobre la hornalla prendida de su cocina, con la intención de sofritar las cebollas que necesita para su salsa. Al tocar sin querer una parte de la sartén que no estaba en contacto directo con el fuego, el chico se quema causándole una dolorosa ampolla.
Una adolescente escucha su música preferida subiendo el volumen de su radio mientras envía un mensaje por Whatsapp.
Algunos animales utilizan las corrientes oceánicas generadas por las diferencias de temperatura en el agua para migrar desde un punto hasta otro, situado a cientos de kilómetros.
Estos tres casos presentan diferentes cambios que involucran energía. En los tres, existe una transferencia de energía que ocurre de formas muy diferentes. ¿Cuáles son estas formas? Es sencillo analizar profundamente los tres casos si estudiamos cuáles son las maneras de transferir de energía:
Formas de transferencia de energía:
Conducción
Es una manera en la que se transmite la energía en medios sólidos. Esto ocurre porque la energía se va transmitiendo directamente entre átomo y átomo debido a las vibraciones de estos.
Expliquemos mejor la situación. Imaginemos un cuchillo que se encuentra expuesto al fuego. Llamaremos “Zona A” a la zona que se encuentra en contacto directo con la llama, mientras que la “Zona B” no está en contacto directo. Podemos asegurar que, al cabo de un tiempo, la zona B estará tan caliente como la zona A.
Para explicar esto, hagamos un “zoom” al cuchillo. Si fuésemos capaces de ver los átomos del cuchillo, veríamos que está compuesto por millones de átomos ordenados uno al lado del otro. Cuando se calienta el grupo de átomos de la zona A (en contacto directo con el fuego), éste comienza a vibrar, afectando al grupo de átomos que se encuentra inmediatamente después, haciendo que comience a vibrar al transferirle su energía.
Este segundo grupo de átomo hará lo mismo con el que se encuentre al lado y así sucesivamente. Al cabo de un tiempo, todos los átomos se encontrarán vibrando y habrán levantado la temperatura de todo el cuchillo, transfiriendo así la energía desde los átomos de la zona A hasta la zona B.
Si bien la conducción ocurre en todos los materiales (es decir, necesita de un medio para transferirse la energía de un punto a otro), ocurre con gran eficacia en los sólidos, especialmente en aquellos que sean buenos conductores del calor por poseer electrones libres, como los metales. Es por ello que las planchas, las sartenes, ollas y muchos instrumentos de cocina se realizan con metales, para favorecer la cocción del alimento.
Convección
Las corrientes océanicas son producto de la convección, al igual que el viento en la atmósfera, que produce las olas.
Ocurre solamente en fluido; es decir, se presenta en líquidos y gases. Podría definirse como una transferencia de energía que se da entre zonas a diferentes temperaturas. Por ejemplo, observemos la figura 1. Los sucesivos desplazamientos de materia desde zonas más frías a zonas más calientes (y viceversa) del fluido, por exposición a una fuente de energía (como el fuego), crean corrientes convectivas. En la atmósfera, las corrientes convectivas forman los vientos; en los océanos, forman las corrientes oceánicas, como la de El Niño o la Corriente Occidental Australiana (una muy popular película de Disney-Pixar hablar sobre ella).
Corrientes convectivas.
Radiación
Es una transferencia de energía que no necesita de ningún medio para que ocurra. Esto significa que la energía podrá transmitirse tanto en sólidos y fluidos como en el vacío, tal como sucede en el espacio interplanetario. Analicemos mejor la situación.
La radiación permite que la energía de las estrellas como el Sol llegue a todos los cuerpos que se encuentran a su alrededor.
Una fuente de radiación como el Sol libera grandes cantidades de energía (como la térmica o la lumínica) que nos llega a la Tierra haciendo posible la vida. Si bien en la atmósfera es una masa gaseosa de aire y la energía solar la atraviesa permitiendo la fotosíntesis, en el espacio no hay aire o algún medio material. Aun así, la transferencia de energía es posible.
Esto sucede con todos los tipos de radiación que existen debido a que la transferencia de energía se realiza mediante ondas electromagnéticas. Te recomendamos leer el artículo sobre radiación para comprender mejor este tipo de transferencia de energía. La energía radiante que nos permite escuchar la radio todas las mañanas o ver televisión se transmite por este medio.
Actividades
En base a la información de este artículo, explica los ejemplos del principio de la nota de acuerdo a si son casos que presentan convección, conducción o radiación.
Los colores encantan a todos. Los bellos colores que vemos en un paisaje primaveral, con rosas de múltiples colores (no sólo rosadas), o en un paisaje otoñal (donde las hojas de los árboles exponen los amarillentos pigmentos que presentan, debidos a la xantofila y los carotenos), exponen la maravilla de la luz, un tipo de energía que se transmite en forma de ondas electromagnéticas[note]Hoy en día se acepta la dualidad onda-partícula, según la cual la luz se comporta como ondas o como partículas, dependiendo la experiencia tratada.[/note].
La luz blanca está compuesta por todos los colores del arcoiris y esto puede ser demostrado fácilmente haciendo pasar un haz de luz blanca por un prisma, como lo hizo Isaac Newton durante sus estudios sobre óptica. Es éste, justamente, el principio por el cual se forman los arcoiris: las pequeñas gotas de agua actúan como prisma que separa la luz blanca del sol en los siete colores del arcoiris, rojo, naranja, amarillo, verde, azul, índigo y violeta, brindándonos un espectáculo único.
Los siete colores del arcoiris, rojo, naranja, amarillo, verde, azul, índigo y violeta
Ahora bien, volvamos a la imagen de nuestro paisaje primaveral. ¿A qué se debe que algunos objetos se vean del color que son? ¿Pueden ser vistos de otros colores sin cambiar ninguna propiedad del objeto? Para responder estas preguntas, tengamos en cuenta lo dicho anteriormente: la luz blanca está formada por todos los colores del arcoiris.
Por otro lado, también tengamos en cuenta que cada color representa una longitud de onda diferente para el espectro visible. ¿Longitud de onda? ¿Espectro visible? ¿Qué es todo eso? Si estas palabras no te suenan, te sugerimos echarle una vista a las características de las ondas electromagnéticas haciendo click aquí.
Refracción de la luz.
Continuemos con la idea. Cuando un frente de ondas de luz blanca incide sobre un objeto que es, por ejemplo, de color verde, ese objeto absorbe todas las longitudes de onda que componían a la luz blanca, menos las longitudes de onda que correspondan al color verde.
En otras palabras, los colores “rebotan” en el objeto, exceptuando el color del que se ve. Así, si un objeto se ve azul, será porque éste absorbe todas las longitudes de onda correspondientes a los otros colores, menos el azul. Al reflejar las longitudes de onda correspondientes al azul (las cuales llegarán a nuestros ojos), el objeto se ve azul.
El caso particular de los objetos blancos y negros.
¿Qué sucede con un objeto que es blanco o que es negro? Un objeto blanco refleja toda la energía radiante que incide sobre él. Es por ello que la ropa blanca es la más apropiada para usar en verano, pues al reflejar la energía proveniente del Sol, se evita insolaciones y que la persona se acalore fácilmente.
Por otro lado, un objeto negro absorbe todas las longitudes de onda. Es por ello que, durante el invierno, la ropa tiende a ser oscura, pues así la persona retiene la mayor cantidad de energía proveniente del Sol, tan importante durante un tiempo frío.
Actividad
En base a esta información, te proponemos una pregunta, que puedes respondernos en los comentarios:
Una lata de gaseosa de una marca “X” es negra. La empresa libera al público una versión dietética de la gaseosa, llamada “X Light”, cuya lata es blanca. Tú decides poner a prueba sus sabores (para ver si realmente son iguales, como tanto publicitan) tomándolas bien frías en un mediodía de verano. Antes de tomarlas, te llaman por teléfono y dejas tus latas al sol por no más de tres minutos. ¿Cuál de las dos versiones de gaseosa piensas que ha subido su temperatura a mayor velocidad? Justifícalo en base a lo visto en este artículo.
Cuando un cuerpo emite energía continuamente, estamos en presencia de lo que llamamos radiación. Esta energía, llamada energía radiante, es transportada por el espacio mediante ondas electromagnéticas. Todos los cuerpos emiten radiación, según sea la temperatura a la que se encuentran. Muchas veces, podemos ver esa radiación (pues se emite en el espectro visible), tal como sucede con la luz visible proveniente del Sol. Pero otras veces, esa radiación es invisible a nuestros ojos, como la radiación infrarroja o la luz ultravioleta. Algunos animales, como las serpientes o las abejas, pueden percibir esas radiaciones.
Muchos cuerpos que no son cuerpos luminosos (es decir, que emiten luz en el espectro visible) pueden emitir luz visible cuando son calentados a altísimas temperaturas. Por ejemplo, si se calienta un trozo de hierro, éste comienza a emitir luz y el color de esa luz cambia dependiendo de la temperatura. Otro ejemplo de la vida cotidiana lo vemos cuando se hace un asado: el carbón que se encuentra a muy altas temperaturas “brilla” en la oscuridad emitiendo luz anaranjada. Los cuerpos que absorben energía aumentan su temperatura, mientras que los que emiten radiación (en otras palabras, emanan energía), bajan su temperatura.
Las características de la RADIACIÓN
Es hora de caracterizar la radiación como transferencia de energía mediante ondas electromagnéticas. La radiación puede:
Transmitirse: puede pasar de un medio a otro. Por ejemplo, la luz solar puede atravesar el vacío del espacio e ingresar en la atmósfera terrestre, compuesta de múltiples gases. Cuando se pasa de un medio a otro, la velocidad de las ondas electromagnéticas que transfieren la energía radiante se modifica, fenómeno que recibe el nombre de refracción.
Absorberse: como dijimos anteriormente, al absorberse la radiación, el cuerpo que lo absorbe modifica su temperatura.
Dispersarse: la radiación modifica sus características al ser devuelta o desviada (separándose, muchas veces, en las diferentes frecuencias que la componen). Ocurre cuando la radiación visible interactúa con una partícula, lo que, por ejemplo, permite que veamos colores en el cielo.
Reflejarse: ocurre cuando la radiación vuelve al medio del cual procede, cambiando sólo su dirección. Por ejemplo, en un espejo “rebotan” las ondas electromagnéticas provenientes de la lámpara que ilumina un baño, sólo cambiando la dirección del frente de ondas.
La principal fuente de radiación de la Tierra es el Sol, que emite energía en muchísimos tipos de radiación del espectro electromagnético, no sólo en el espectro visible. Algunos tipos de radiación (como el espectro visible) es inofensivo para nosotros, pero otros pueden ser muy peligrosos, como la luz ultravioleta que proviene de nuestra estrella. Seguramente te estarás preguntando qué es eso de “espectro electromagnético”. Bueno, analicemos un poco más el tema.
El Espectro Electromagnético
Quizás te parezca extraño el nombre, quizás ya lo habías escuchado antes. El espectro de radiación electromagnética abarca todas las longitudes de onda y frecuencias con las que se propaga la energía a través del espacio. Habíamos dicho que las ondas electromagnéticas no necesitan de ningún medio para transmitirse. Las distintas ondas electromagnéticas generan un espectro que abarca las diferentes longitudes de onda. Éstas son las siguientes:
Rayos Gamma: sus longitudes de onda son las más cortas. Son muy perjudiciales para salud aunque en medicina se los utiliza para detener el cáncer, pues su agresividad frente a las células puede detener la reproducción de tumores.
Rayos X: Poseen una frecuencia entre 1016 Hz y 1019 Hz, originados por el choque de electrones contra cuerpos sólidos que no poseen carga eléctrica. Son importantes en la práctica médica de diagnóstico por imágenes, aunque la exposición de un organismo a estos rayos durante mucho tiempo puede ser fatal.
Rayos ultravioleta (UV): En la naturaleza, son producidas por el Sol y su acción es perjudicial para la vida, por lo que es tan importante la acción filtradora de la capa de Ozono en la atmósfera.
Luz visible: Poseen una longitud de onda entre 400 nanómetros y 680 nanómetros, que pueden ser captados por el ojo humano. Cuando la luz del Sol pasa por un prisma, se descompone en 7 colores (los del arcoiris). Esto demuestra que la luz blanca es, en realidad, la composición de todos ellos. Cada color presenta una longitud de onda diferente.
Rayos infrarrojos: Sus longitudes de onda abarcan desde unos 0,001 mm hasta 1 mm. Generados por todos los cuerpos que liberan calor, son capaces de ser detectados por sensores como células fotoeléctricas. Son invisibles al ojo humano y se produce por el movimiento de las moléculas de los cuerpos.
Microondas: Presentan una frecuencia de alrededor de 1011 Hz y una longitud de onda de alrededor de 1 cm. Se utilizan para la comunicación de radares y satélites y en la cocción de alimentos en un horno de microondas.
Ondas de Radio: Sus longitudes de onda van desde los 10 cm hasta los 10.000 m y una frecuencia desde los 10.000 Hz a 100 mil millones de Hz. Altamente utilizados en telecomunicaciones, permite que, de forma instantánea, se envíen y reciban mensajes de un punto a otro del planeta.
En este artículo de Ensamble de Ideas, estudiaremos las ondas en física. Como sabemos, una onda es una perturbación del espacio. En toda onda, podemos hallar diferentes características que las diferencian: valles, crestas, longitudes de onda, frecuencia, período y amplitud.
Modelo de una onda en física.
Para entender correctamente qué es una onda, debemos entonces analizar cada uno de sus componentes (expuestas en color violeta en el párrafo anterior). Para ello, requerimos definir, primero, el concepto de ciclo. En física, un ciclo es cada patrón repetitivo de una onda. Es el recorrido, que consiste en ir desde una posición extrema a la otra y volver a la primera, pasando dos veces por la posición central.
Sabiendo eso, analicemos una por una las características mencionadas al principio:
Característica
Definición
Valle
En física, un valle es la posición más baja de una onda. Es contrario a la cresta, que es la posición más alta de una onda.
Cresta
En física, una cresta es la posición más alta de una onda. Es el punto de máxima amplitud o máxima elongación de una onda. Es contraria a un valle, que es la posición más baja de una onda.
Longitud de onda
En física, la longitud de onda (denotada usualmente con la letra griega λ), es la distancia entre puntos idénticos sucesivos de una onda, como la distancia entre un valle y el valle siguiente o la distancia entre una cresta y la cresta siguiente. La unidad de la longitud de onda, al ser justamente una distancia, es el metro (con sus múltiplos y submúltiplos). Matemáticamente, se define la longitud de onda como λ=v/f , donde v es la velocidad de la onda y f es la frecuencia. Dado que f=1/T , siendo T el período de la onda, se puede definir también a λ como λ=v⋅T
Período
En física, un período es el tiempo que tarda una onda en completar un ciclo. Matemáticamente, el período se define como: T=1/f, donde T es el período y f es la frecuencia de la onda. La unidad del período en el Sistema Internacional es el segundo.
Frecuencia
En física, la frecuencia de una onda es el número de ciclos que completa la onda en un intervalo de tiempo. Si este intervalo de tiempo es un segundo, la unidad de frecuencia es el Hertz (Hz). Matemáticamente, la frecuencia está relacionada con el período según: f=1/T donde T es el período y f es la frecuencia de la onda.
Amplitud
En física, la amplitud de una onda es la medida de la magnitud de la máxima perturbación del medio producida por la onda.
Es hora de analizar las ondas con un poco más de atención. Por ello, es importante que sepamos cómo clasificarlas de acuerdo a sus características.
La clasificación de las ondas en la física.
Se puede clasificarlas según el sentido de la oscilación y la necesidad de un medio para propagarse:
SEGÚN EL SENTIDO DE LA OSCILACIÓN
Aquí encontramos dos tipos diferente de ondas:
Las ondas longitudinales: Si las partículas que oscilan lo hacen en la misma dirección en la cual se transmite la onda.
Algunos ejemplos de ondas longitudinales son:
Ondas sonoras: Cuando hablas o cuando un altavoz emite sonido, las partículas de aire vibran hacia adelante y hacia atrás en la misma dirección que la onda de sonido viaja.
Ondas de compresión en un resorte: Si tiras de un extremo de un resorte y lo sueltas, las ondas de compresión viajan a lo largo del resorte mientras las bobinas se comprimen y se expanden en la misma dirección en la que viaja la onda.
Ondas sísmicas P: Estas son ondas que se propagan a través del interior de la Tierra en caso de terremotos. Las partículas del suelo vibran en la misma dirección en la que viaja la onda.
Ondas en líquidos y gases: Cuando lanzas una piedra a un estanque, se generan ondas que se propagan hacia afuera desde el punto de impacto. Las partículas del agua se mueven hacia adelante y hacia atrás en la misma dirección que las ondas se desplazan.
Estos ejemplos muestran cómo las ondas longitudinales involucran movimientos de partículas en la misma dirección que la propagación de la onda.
Las ondas transversales: Si las partículas que oscilan lo hacen en forma perpendicular a la dirección en que se desplaza la onda. Ejemplos de éstas son las ondas causadas por un corcho que se arroja en un estanque: las partículas del agua comienzan a oscilar alrededor de su posición de equilibrio y transmiten la perturbación a las partículas vecinas, que comienzan a oscilar. La onda, por su parte, adopta un movimiento perpendicular al de las partículas del agua.
Ondas en una cuerda tensa: Si agitas un extremo de una cuerda tensa, las ondas se propagan a lo largo de la cuerda, mientras que las partículas de la cuerda oscilan verticalmente (perpendicularmente a la dirección de propagación).
Ondas electromagnéticas: La luz visible, las ondas de radio, las microondas y otras formas de radiación electromagnética viajan en forma de ondas transversales. En este caso, los campos eléctricos y magnéticos oscilan perpendicularmente entre sí y a la dirección de propagación de la onda.
Ondas en la superficie del agua: Cuando lanzas una piedra en un estanque, se generan ondas en la superficie del agua. Las partículas de agua se mueven hacia arriba y hacia abajo, perpendicularmente a la dirección de propagación de las ondas.
SEGÚN LA NECESIDAD DE UN MEDIO PARA PROPAGARSE
No todas las ondas pueden transmitirse en los diferentes medios, tales como un sólido, un fluido o, incluso, el vacío. De esta forma, clasificamos las ondas en:
Ondas mecánicas: tal como las ondas sonoras, este tipo de ondas necesita sí o sí de un medio en el cual transmitirse, ya sea sólido o un fluido, como el líquido o el gas. Esto explica por qué, en el espacio, el sonido no se escucha (pues no hay un medio material que lo transmita). ¡Oh, Star Wars, nos has mentido todo este tiempo!
Algunos ejemplos de ondas mecánicas son:
Ondas de sonido en el aire: Cuando hablas, la vibración de tus cuerdas vocales crea ondas de presión en el aire. Estas ondas viajan como compresiones y expansiones sucesivas en la misma dirección en la que se propagan, lo que constituye una onda longitudinal.
Ondas sísmicas S: Durante un terremoto, las ondas sísmicas S viajan a través de la Tierra. Estas ondas de corte hacen que las partículas del suelo se muevan perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda.
Ondas en una cuerda tensa: Al tocar una cuerda de guitarra, se generan ondas mecánicas transversales. Las partículas de la cuerda se mueven perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda, creando patrones de crestas y valles.
Ondas en un resorte: Si sujetas un extremo de un resorte y lo agitas, se propagarán ondas a lo largo de él. Las partículas del resorte se moverán perpendicularmente a la dirección en que viajan las ondas, comprimiendo y expandiendo el resorte.
Ondas en la superficie del agua: Cuando arrojas una piedra en un estanque, se forman ondas que viajan a través del agua. Las partículas de agua se mueven hacia arriba y hacia abajo, perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda.
Anímate a escribir en comentarios cuáles de las ondas anteriores corresponden a longitudinales y cuáles a transversales.
Ondas electromagnéticas: tal como la luz, este tipo de ondas no necesita obligatoriamente de algún medio para transmitirse. Puede hacerlo tanto en el vacío, como en un líquido, sólido o en un gas. Te recomendamos leer el artículo sobre las diferentes ondas electromagnéticas que existen en la naturaleza para saber más sobre este tema.
Si bien puedes ver todos los tipos de ondas del espectro electromagnético en nuestro link específico, te dejamos algunos ejemplos de ondas electromagnéticas:
Luz visible: La luz que vemos todos los días es un ejemplo de onda electromagnética. Las ondas de luz viajan a través del vacío del espacio y también pueden propagarse a través del aire u otros medios transparentes. En una onda de luz, los campos eléctrico y magnético oscilan perpendicularmente entre sí y a la dirección de propagación de la onda.
Ondas de radio: Las ondas de radio, utilizadas para transmitir señales de radio y televisión, también son ondas electromagnéticas. Estas ondas pueden viajar a través del espacio, la atmósfera terrestre y otros materiales no metálicos.
Microondas: Utilizadas en comunicaciones inalámbricas, radar y cocinas de microondas, las microondas también son un tipo de onda electromagnética. Se utilizan en una variedad de aplicaciones debido a su capacidad para penetrar en materiales no metálicos y transmitirse a través de la atmósfera terrestre.
Rayos X: Los rayos X, utilizados en medicina para la radiografía y en diversas aplicaciones industriales, también son ondas electromagnéticas. Tienen longitudes de onda más cortas y energías más altas que la luz visible y pueden penetrar en la materia con mayor facilidad.
NTICx en la escuela
En el applet “Introducción a Ondas” del PhET Colorado, disponible en https://phet.colorado.edu/sims/html/waves-intro/latest/waves-intro_es.html, podrán trabajar y estudiar las ondas de una manera didáctica y dinámica. Modifiquen las amplitudes y frecuencias de las diferentes ondas de sonido, ondas de luz y ondas en el agua para afianzar los conceptos. Jueguen, descubran y creen sus propias actividades. ¿Se animan a contarnos qué sucedió?
En artículos anteriores de Ensamble de Ideas, hemos visto que la energía no se crea ni se destruye. La primera ley de la termodinámica nos afirmaba que la energía, esa capacidad de poder realizar un trabajo, podía transformarse de un tipo a otro, así como a partir de la energía del viento, que llamábamos energía eólica, podíamos obtener energía eléctrica. Esto es válido en todos los ámbitos y decimos que la energía se conserva.
La energía es la capacidad que tiene un sistema de producir un trabajo, esto es, la capacidad que presenta de realizar algún tipo de cambio en un sistema, ya sea físico o químico. En otras palabras, todo cambio requiere de energía para que suceda.
¿Sabes de dónde proviene la energía que utilizas en este momento para leer y comprender este texto? Continúa leyendo para enterarte de todo esto y más, pues analizaremos un caso práctico de conservación de la energía mecánica en una montaña rusa.
La conservación de la energía en la vida cotidiana.
Conservación de energía en la naturaleza
La energía que utilizas día a día en tu vida cotidiana proviene, sin duda, de los alimentos que has ingerido en las últimas horas. Por ejemplo, un almuerzo puede estar constituido por un bife de carne vacuna y algunas verduras frescas que has puesto en tu ensalada. Esos alimentos tienen, en las moléculas que lo conforman, energía química acumulada en sus enlaces. Esa energía es la que tú utilizas al leer esto, o bien al jugar un partido de fútbol o al correr el bus que te lleva a la escuela, universidad o trabajo. ¿Esa energía siempre estuvo ahí? Seguro que estás adivinando la respuesta: claro que no. (Y claro, te lo habíamos adelantado al principio de este tedioso texto.)
Es evidente que la energía presente en el animal, como la vaca o cerdo, ha provenido de los alimentos que consumió. Por ejemplo, la vaca, herbívora, ha conseguido su energía del vegetal consumido. ¿Y éste? Por fotosíntesis, ha transformado la energía lumínica proveniente del Sol en energía química. La energía lumínica se produce en el Sol por reacciones nucleares en su interior. Como vemos, todo esto es un claro ejemplo de cómo se conserva la energía.
¿De dónde proviene la energía del Sol en su interior? Te recomendamos la lectura de nuestro artículo sobre el ciclo protón-protón.
Entonces, la energía que utilizamos para bailar en un boliche, ¿proviene indirectamente del Sol? ¡Correcto! La energía siempre se conserva. ¿Puedes imaginarte qué transformaciones de la energía ocurren durante el funcionamiento de una licuadora?
La energía eléctrica que utiliza el aparato proviene de centrales eléctricas, que pueden obtener energía a partir de la energía hidráulica (como en una central hidroeléctrica), de energía eólica (como en una planta eólica), de la energía de combustibles fósiles (como las centrales térmicas), de la energía nuclear (como en una central nuclear), de la energía solar, etc. Esta energía eléctrica es transformada en otros tipos de energía, tal como la energía cinética con la que se licúan nuestros alimentos.
¿Toda la energía eléctrica es transformada en energía cinética en una licuadora? Claro que no. Lamentablemente, la eficiencia de los artefactos eléctricos no es del 100%, sino que una considerable parte de la energía se disipa en forma de calor al ambiente. Muchas veces, como en nuestra licuadora, una parte de la energía eléctrica también puede transformarse en energía sonora. ¡Otro gran ejemplo de transformación de la energía! Así vemos cómo se cumple, nuevamente, la primera ley de la termodinámica.
La conservación de la energía en una montaña rusa.
Sin ir más lejos, en el día a día encontramos múltiples ejemplos de la energía y su conservación. Analicemos un último caso más.
Ante todo, recordemos algunos conceptos físicos importantes: cuando un objeto se encuentra a cierta altura, presenta energía potencial gravitatoria (\( E_{p_g}\)). Por otro lado, si un objeto se encuentra en movimiento, presenta energía cinética (\( E_c \) ). La suma de energía potencial más energía cinética es llamada energía mecánica. En conclusión, \( E_m=E_{p_g}+E_c \) .
Ejemplo de la montaña rusa.
Ahora, imaginemos una montaña rusa. En el punto más alto, antes de que se inicie la vertiginosa caída (punto al que llamaremos “A”), el carrito presenta energía potencial gravitatoria máxima, sin energía cinética pues se encuentra quieto. Según lo expresado en el párrafo anterior, la energía mecánica del carrito en “A” es igual, en este caso, a la energía potencial gravitatoria, pues la energía cinética en “A” es cero. A medida que el carrito caiga, la energía potencial disminuye (pues disminuye la altura) y la energía cinética aumenta (pues la velocidad va aumentando). Llamaremos “B” a algún punto que se encuentre entre “A” y el punto más bajo de la trayectoria.
Sin embargo, la suma de ambas energías, que es igual a la energía mecánica, se conserva en todo momento. Es decir, la energía mecánica se conserva (¡y en todo punto de la trayectoria!). Al llegar al punto más bajo, que llamaremos “C”, observamos que la energía cinética es máxima y la energía potencial gravitatoria es nula.
La suma de ambas, claro está, es la energía mecánica y vale lo mismo que en “A” y en “B”. Cuando el carrito siga su recorrido, podrá volver a alcanzar el punto más alto, pero no podrá superarlo, pues el carrito no tendrá la suficiente energía mecánica para hacerlo. Esto es válido si consideramos una montaña rusa ideal, en la que hipotéticamente no exista rozamiento entre el carrito y el riel, así como entre el carrito y el aire.
En los casos reales, parte de la energía mecánica se disipa en forma de calor al ambiente. Esto último no significa que “se pierda” energía. La energía total, la mecánica más la disipada en forma de calor -o algún otro tipo de energía como sonora o lumínica-, será constante, ¡siempre! Es decir, la conservación de la EM (Energía Mecánica)se cumplirá en cualquier situación, como establece la Primera Ley de la Termodinámica.
¿Cómo hacer ejercicios de CONSERVACIÓN DE ENERGÍA MECÁNICA?
Para realizar un ejercicio de física sobre CONSERVACIÓN DE ENERGÍA MECÁNICA, debemos tener en cuenta algunas cosas:
Conceptos principales sobre CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA MECÁNICA
Analicemos teóricamente, en forma de conclsusión, los principios básicos de la conservación de la EM:
(I) La energía mecánica (\( E_m \) ) es igual a la suma de energía potencial gravitatoria (\( E_{p_g} \)) más la energía cinética ( \( E_c \) ). Es decir: \( E_m = E_{p_g}+E_c) \) .
(II) La energía mecánica se conserva SÓLO si no hay fuerzas de rozamiento actuando, tales como la fuerza del rozamiento con el aire o con el piso.
(III) Consideraremos el valor de la fuerza de gravedad en la Tierra como \( \left | g \right |=10 \frac{m}{s^{2}}\) (sólo para hacer más fáciles las cuentas). En caso de que tú lo hagas con el valor de \( \left | g \right |=9,8 \frac{m}{s^{2}} \), el procedimiento es el mismo. Sólo cambia el valor de \( \left | g \right | \) por el que tú tomes. De acuerdo con esto, si estamos hablando de un ejercicio que considera que estamos en la Luna, por ejemplo, el valor de \( \left | g \right | \) corresponderá a \( 1,6 \frac{m}{s^{2}} \) .
(IV) La teoría relacionada con la conservación de energía mecánica nos dice que \(\Delta E_m=0 \).
¿Qué significa esto? Que la energía mecánica final siempre es igual a a la energía mecánica inicial. En otras palabras, ¡La energía mecánica se conserva siempre en todo el movimiento! Presten mucha atención a esta frase, pues será de gran utilidad.
Una vez que tuvimos en cuenta esas pequeñas aclaraciones, es hora de realizar algunos ejercicios:
Ejercicios Prácticos de Conservación de la Energía Mecánica
Ejemplo 1
1. ¿Con qué velocidad toca el suelo una pelota que se deja caer desde 20m de altura?
Típico ejercicio de examen. Para resolverlo, consideraremos que no hay fuerzas de rozamiento con el aire durante la caída.
Veamos la siguiente representación de lo que expresa el enunciado:
En el punto más alto, la pelota se deja caer. Es importante aclarar que “se deja caer” es equivalente a decir que la velocidad inicial de la pelota es 0, es decir: \( v_i=0\) . En ese punto, la energía mecánica estará dada por:
\( E_{m_i}=E_{p_g}+E_c \)
Como \( E_{p_g}=m\cdot g\cdot h \) y \( E_c=\frac{1}{2}\cdot m\cdot v^2 \) , entonces:
\( \left | v \right |=\sqrt{\frac{10\frac{m}{s^{2}}\cdot 20m}{\frac{1}{2}}}=20\frac{m}{s} \)
¡Y listo!
Ejemplo 2
2. Dada la siguiente situación de un carrito de 8kg:
El estudio de la conservación de la energía es importantísimo para comprender los cambios experimentados en una montaña rusa, tanto ideal como real.
Datos: Masa del carrito = 8 kg. X (estiramiento del resorte) = 0,81 metros. K (constante de elasticidad) = 10,2 N/m
Calcular:
La energía potencial elástica del carrito en el punto A.
La energía cinética del carrito cuando éste está quieto (v=0 m/s)
Calcular la energía potencial gravitatoria del carrito en el punto A y en el punto B.
Calcular la energía mecánica del carrito en el punto A. Tener en cuenta que la velocidad en el punto A es 0 m/s.
Calcular la energía mecánica del carrito en el punto B.
1. a) La energía potencial elástica del carrito (\( E_{p_{e}} \)) en el punto A viene dada por la expresión: \( E_{p_{e}}=\frac{1}{2}\cdot k\cdot X^{2}\), siendo k la constante elástica del resorte (k=10,2 N/m) y X, el estiramiento del resorte (X=0,81m). Reemplazando los valores:
b) La energía cinética (\( E_{c} \)) del carrito en cualquier punto viene dada por la expresión \( E_{c}=\frac{1}{2}\cdot m\cdot v^{2}\), siendo m la masa del cuerpo y v, la velocidad. Como el cuerpo, según el enunciado, está quieto, entonces la energía cinética vale 0J.
c) La energía potencial gravitatoria (\( E_{p_{g}} \)) del carrito en cualquier punto viene dada por la expresión \( E_{p_{g}}=m\cdot g \cdot h\), donde m es la masa del cuerpo, g es la aceleración de la gravedad (\( g=9,8\frac{m}{s^{2}}\) y h es la altura del cuerpo. Según el enunciado, la masa del cuerpo es de 8kg.
En el punto A, la altura es de 20m, por lo que la energía potencial gravitatoria será:
Mientras que en el punto B, en donde la altura es 0m, la energía potencial gravitatoria será de 0J, puesto que no hay altura.
d) La expresión de la energía mecánica es: \( E_{m}= E_{p_{g}} + E_{c} + E_{p_{e}} = m\cdot g \cdot h + \frac{1}{2}\cdot m\cdot v^{2} + \frac{1}{2}\cdot k\cdot X^{2} \). Sabiendo que, en el punto A, la altura es de 20m y la velocidad del carrito es de 0 m/s, entonces:
Este valor también podría haber sido hallado sumando los resultados obtenidos en los puntos anteriores.
e) La energía mecánica se conserva en toda la trayectoria, por lo que la energía mecánica en B será igual a la energía mecánica en A: \( E_{m_{B}}= 1571,35J\)
Actividades
En todos los casos se considerará que los fenómenos detallados ocurren en cercanías de la Tierra, a menos que se exprese otra cosa. Se considerará que la aceleración de la gravedad es de g=9,8 m/s². Los resultados pueden variar ligeramente respecto de los tuyos teniendo en cuenta el valor de g utilizado o el redondeo que hayas hecho en cada paso.
¿Qué es la energía potencial gravitatoria?
Un cuerpo de 65 kg se encuentra a una altura de 45m y luego asciende 25m. ¿En qué punto tiene el cuerpo mayor energía potencial?
¿Qué diferencia existe entre peso y masa? Definir cada término.
¿Cuál es el peso de un objeto en la Tierra cuya masa es de 5kg? Rta: 49N
Un alumno tiene una masa de 65kg. ¿Cuánto vale su peso? Rta: 637N
Si el alumno anterior se fuera a la Luna, ¿cuánto pesaría allí si la gravedad lunar es de 1,6 m/s2? Rta: 104 N
El alumno anterior, que ya está cansado de viajar a través del espacio, se va a Marte y descubre que pesa 241,15 N. ¿Cuánto vale la gravedad allí? Rta: g=3,71 m/s2.
Un objeto pesa en la Tierra unos 130 N. ¿Cuánto vale su masa? Rta: 13,27kg
Una bolsa de compras que tiene 1kg de papas adentro se encuentra colocada en un costado del supermercado. a) ¿Cuánto pesa la bolsa de papas? b) ¿Cuánto vale su energía potencial? Rta: a) 9,8N; b) 0J
Y si la bolsa que avanza por un camino es levantada a una altura de 1,5 m… Calcular: La energía potencial de la bolsa a esa altura. Rta: 14,7J
¿Cuánto vale la energía potencial de un objeto de 34kg ubicado en la terraza de un edificio de 49 m de altura? Rta: 16 326J
El peso de una bola es de 5N. Se está por tirar desde un puente a 30 m de altura. Calcular su energía potencial. Rta: 150J
La energía potencial de una pelota a 36 metros de altura es de 720J. ¿Cuál es su masa? Rta: 2,04kg.
Un cuerpo de 3,5kg de masa tiene una energía potencial gravitatoria de 112J. ¿A qué altura se encuentra? Rta: 3,26m
¿Qué es la energía cinética? ¿Qué fórmula se usa para calcularla?
¿Qué es la energía mecánica?
Pasar de m/s a km/h o viceversa según corresponda: a) 12m/s a km/h; b) 72km/h a m/s; c) 25,6m/s a km/h; d) 23m/s a km/h; e) 340km/h a m/s.Rta: a) 43,2 km/h; b) 20 m/s; c) 92,16km/h; d) 82,8 km/h; e) 94,44 m/s
¿Cuál es la energía cinética de un móvil que circula a 20m/s y tiene una masa de 500kg? Rta: 100.000J
¿Cuál es la energía cinética de un móvil que circula a 25km/h y tiene una masa de 500kg? Rta: 12.040,9J
¿Cuál es la energía cinética de un pájaro que circula a 25km/h y tiene una masa de 1000g? Rta: 24,11J
¿Cuál es la masa de un objeto que se mueve a razón de 3m/s y su energía cinética es de 11,25J? Rta: 2,5kg.
¿Cuál es la velocidad de un objeto que circula con una energía cinética de 54J y tiene una masa de 3kg? Rta: 6m/s.
¿Cuál es la energía mecánica de un objeto de 3kg que se mueve a 2m/s y se encuentra a una altura de 10m? Rta:300J
¿Cuál es la energía mecánica de un objeto de 2kg que se mueve a 5m/s y se encuentra a una altura de 2m? Rta:64,2J
¿Cuál es la energía mecánica de un objeto que pesa 20N, se mueve a 5m/s y se encuentra a una altura de 2m? Rta:65,5J.
¿Cuál es la energía mecánica del móvil del ejercicio 14? Rta: Su energía mecánica vale lo mismo que su energía potencial porque no se encuentra en movimiento. Es, entonces, 112J.
Screenshot del Applet del PhET Colorado sobre Energía Mecánica.
Con el cursor, envía a nuestro patinador hacia la cima de la rampa de patinaje.
Suéltalo y asegúrate de tener activadas la casilla de “Gráfico de Barras”, para que tu pantalla quede como se muestra a continuación:
A medida que cae, observarás que, en el gráfico de barras, se producen modificaciones. ¿Qué variables van cambiando? ¿Cómo lo hacen? Describir el cambio observado. ¿Cuál se mantiene constante?
¿Cuál es la variable que alcanza su máximo valor cuando nuestro querido patinador toca el suelo? ¿Qué valor tienen, en ese momento, las otras variables?
¿Cuál es la variable que alcanza su máximo valor cuando nuestro valiente patinador alcanza los puntos más altos de la rampa? ¿Qué valor tienen, en ese momento, las otras variables?
Modifica la masa del patinador. ¿Qué sucede con la energía total cuando la colocamos en “pequeña” y en “grande”?
La teoría del calórico fue una explicación científica aceptada durante mucho tiempo para entender el calor y los procesos de transferencia de energía térmica. Según esta teoría, el calórico era una sustancia invisible que fluía de un objeto caliente a uno frío, causando el aumento de temperatura en el objeto receptor.
Aparato de Lavoisier y Laplace, medidor del calórico. Lavoisier le ha dado nombre dicha “sustancia” en 1787.
La teoría del calórico fue una explicación científica aceptada durante mucho tiempo para entender el calor y los procesos de transferencia de energía térmica. Según esta teoría, el calórico era una sustancia invisible que fluía de un objeto caliente a uno frío, causando el aumento de temperatura en el objeto receptor.
De acuerdo con la teoría del calórico, el calentamiento de un objeto estaba relacionado con la cantidad de calórico que contenía. A medida que el calórico fluía hacia un objeto frío, se creía que el objeto se calentaba a medida que acumulaba calórico.
Sin embargo, a medida que avanzó la investigación científica, surgieron evidencias experimentales que contradecían la teoría del calórico. Uno de los descubrimientos más significativos fue la ley de conservación de la energía, que establece que la energía no puede crearse ni destruirse, sino que solo puede transformarse de una forma a otra. Esta ley contradecía la noción de una sustancia calórica que se podía transferir de un cuerpo a otro.
La teoría cinética-molecular reemplazó la teoría del calórico como una explicación más precisa del calor. Según la teoría cinética-molecular, el calor se debe al movimiento aleatorio de átomos y moléculas en un objeto, y su transferencia se produce mediante la colisión de estas partículas. Esta nueva teoría fue respaldada por evidencias experimentales y explicaba mejor los fenómenos térmicos.
Características principales del calórico
El calórico es una sustancia contenida en los cuerpos, invisible.
El calórico fluye desde un cuerpo más caliente a uno más frío. Este flujo continúa hasta que se igualen las temperaturas.
Un cuerpo frío pesa lo mismo que un cuerpo caliente. Esto significa que el calórico no tiene peso. Se dice, entonces, que es imponderable.
Se pensaba que el calórico estaba contenido en una especie de vesículas. Según la teoría, dos cuerpos que se frotan elevan su temperatura sin que la cantidad de calor total haya variado. La fricción, enuncia, modificaría el calor específico del material pues se romperían las vesículas propuestas. Esto provocaría un aumento de temperatura y un aparente aumento de calor.
Cuando un cuerpo cambia de estado, debido a que hay un flujo de calor desde un cuerpo caliente a otro, la temperatura del cuerpo que se funde o volatiliza no cambia, no aumenta. Para explicar esto, la teoría del calórico considera que dicha sustancia está “escondido temporalmente” y que puede recuperarse condensando el vapor o simplificando el líquido.
La historia detrás del calórico.
A mediados del Siglo XVIII, se creía que los fenómenos térmicos se debían a la existencia de una sustancia llamada calórico, nombre acuñado por primera vez por Lavoisier[note]
Antoine-Laurent de Lavoisier fue un influyente químico, biólogo y economista francés del siglo XVIII, nacido el 26 de agosto de 1743 en París, Francia, y fallecido el 8 de mayo de 1794 en la misma ciudad. Es ampliamente reconocido como el padre de la química moderna debido a sus contribuciones revolucionarias al campo.
Lavoisier fue educado en la Universidad de París, donde se graduó en leyes en 1764, pero su verdadera pasión estaba en la ciencia, especialmente en la química. Pronto abandonó la práctica legal para dedicarse por completo a la investigación científica.
Una de las contribuciones más importantes de Lavoisier fue la formulación de la ley de conservación de la masa, que establece que la masa total de los productos de una reacción química es igual a la masa total de los reactivos. Esto marcó un cambio fundamental en la comprensión de la química, alejándose de la antigua teoría de la flogisto.
Junto con su esposa, Marie-Anne Pierrette Paulze, Lavoisier llevó a cabo experimentos pioneros en la combustión y la respiración, descubriendo la naturaleza del oxígeno y el proceso de oxidación. También trabajó en la estandarización de nomenclatura química y en la formulación de una teoría sobre la composición del agua.
Sin embargo, su carrera científica fue truncada por la Revolución Francesa. A pesar de sus importantes contribuciones a la ciencia, Lavoisier fue arrestado durante el Reinado del Terror y ejecutado en la guillotina en 1794, a la edad de 50 años. Su muerte fue una gran pérdida para la comunidad científica, pero su legado perdura como uno de los pilares fundamentales de la química moderna.[/note]
en 1787. A la luz de los conocimientos de hoy en día, sabemos que no existe y que el calor no es más ni menos que transferencia de energía desde un cuerpo caliente a un cuerpo frío.
Sin embargo, a medida que avanzó la investigación científica y se desarrollaron métodos más precisos de medición, surgieron evidencias experimentales que contradecían la teoría del calórico. Uno de los descubrimientos más significativos fue la ley de conservación de la energía, que establece que la energía no puede crearse ni destruirse, sino que solo puede transformarse de una forma a otra. Esta ley contradecía la noción de una sustancia calórica que se podía transferir de un cuerpo a otro.
En conclusión, la teoría del calórico fue una explicación válida en su época para comprender los fenómenos térmicos, pero ha sido reemplazada por la teoría cinética-molecular debido a las evidencias experimentales y las leyes fundamentales de la conservación de la energía. La comprensión actual del calor se basa en la idea de que es una forma de energía que se transfiere mediante el movimiento de partículas, en lugar de una sustancia calórica que fluye de un objeto a otro.
Actividades
A. Realiza un resumen de lo más importante del texto de este artículo.
B. Indica si las siguientes oraciones son verdaderas o falsas:
El calórico era una sustancia invisible que fluye de un objeto caliente a uno frío. (Verdadero/Falso)
Según la teoría del calórico, el calentamiento de un objeto está relacionado con la cantidad de calórico que contiene. (Verdadero/Falso)
La teoría del calórico explica cómo se transfiere el calor entre los objetos. (Verdadero/Falso)
La ley de conservación de la energía apoya la teoría del calórico. (Verdadero/Falso)
La teoría cinética-molecular reemplazó a la teoría del calórico. (Verdadero/Falso)
El movimiento de partículas en un objeto es la causa del calor según la teoría del calórico. (Verdadero/Falso)
La teoría del calórico sigue siendo ampliamente aceptada y utilizada en la actualidad. (Verdadero/Falso)
Las evidencias experimentales contradicen la teoría del calórico. (Verdadero/Falso)
La teoría del calórico se basa en la idea de que el calor es una forma de energía. (Verdadero/Falso)
La transferencia de calor se produce mediante la colisión de partículas, según la teoría del calórico. (Verdadero/Falso)
Clave de respuestas:
Puedes corroborar tus resultados expandiendo aquí [note]
A. Resumen de contenidos:
La teoría del calórico, aceptada durante mucho tiempo, postulaba que el calórico era una sustancia invisible que se movía desde un objeto caliente hacia uno frío, causando el aumento de temperatura en el objeto receptor. Según esta teoría, el calentamiento de un objeto estaba relacionado con la cantidad de calórico que contenía, y se creía que el calórico se transmitía a través de la transferencia de la sustancia calórica desde el objeto caliente al objeto frío.
Sin embargo, investigaciones posteriores demostraron que esta teoría era incorrecta. La ley de conservación de la energía, que establece que la energía no se crea ni se destruye, contradecía la noción de una sustancia calórica transferible. En su lugar, la teoría cinética-molecular se desarrolló como una explicación más precisa del calor. Según esta teoría, el calor se debe al movimiento aleatorio de átomos y moléculas en un objeto, y su transferencia ocurre a través de la colisión de estas partículas.
En conclusión, la teoría del calórico, que postulaba la existencia de una sustancia invisible que transfería el calor, fue reemplazada por la teoría cinética-molecular debido a las evidencias experimentales y las leyes de conservación de la energía. Actualmente, se entiende que el calor es una forma de energía y se transfiere mediante el movimiento de partículas en lugar de una sustancia calórica.
B. Actividad de verdadero/falso:
Verdadero
Verdadero
Verdadero
Falso
Verdadero
Falso
Falso
Verdadero
Falso
Falso [/note]
Bibliografía Sugerida
En el libro “Introducción a Los Conceptos y Teorías de Las Ciencias Físicas”, escrito por Gerald James Holton & Stephen G. Brush , podrás encontrar más información sobre el tema tratado aquí. Hemos buscado la sección correspondiente y puedes leerla en el siguiente link de Google Books, actualizado al mes de marzo de 2020: https://bit.ly/2PGTjUa
Muchas veces, en nuestro vocabulario cotidiano, solemos confundir dos términos aparentemente iguales: fluorescencia y fosforescencia. Sin embargo, las diferencias, aunque sutiles, existen. Veamos la definición de cada término. Para finalizar, te contaremos por qué algunos objetos, como rosarios o carteles de emergencia, son capaces de brillar en la oscuridad, un fenómeno relacionado con la fosforescencia. ¿Nunca te preguntaste por qué brillan las estrellitas de plástico con las que se decoran las habitaciones de los niños? Asómbrate con la respuesta.
Fluorescencia
La fluorescenciaes la luminiscencia producida por determinados minerales cuando son expuestos a la acción de ciertos rayos (radiactivos, catódicos, visibles, ultravioletas, rayos X…). Estas radiaciones son transformadas y emitidas por el mineral en ondas de mayor longitud que de los rayos que habían incidido sobre él.
Fosforescencia
La fosforescenciaes la luminiscencia producida por un mineral durante un tiempo más o menos largo, después de que ha cesado la fuente de radiación excitadora.
¿Por qué algunos objetos brillan en la oscuridad?
Seguramente, habrás visto que algunos materiales tienen la curiosa propiedad de brillar en la oscuridad. Por ejemplo, los carteles de emergencia que se encuentran en las fábricas o en los colegios suelen brillar en la oscuridad para que operarios y estudiantes puedan verlos en cualquier situación, ya sea a plena luz del día, en la oscuridad de la noche o en apagones que puedan llegar a ocurrir.
Estos objetos, como muchos juguetes o artículos religiosos (rosarios, por ejemplo) suelen están recubiertos con una pintura especial que, cuando “se carga” en presencia de luz, emiten energía radiante en forma de luz visible una vez que se encuentren en la oscuridad. ¿Cómo será esto posible? ¿Por qué sólo sucede con algunos objetos y no con todos?
La respuesta está en, justamente, las sustancias que forman parte de la pintura que recubre el objeto. Estas sustancias son fosforescentes, lo que significa que -a diferencia de las sustancias fluorescentes- pueden brillar en la oscuridad tras un fenómeno particular que sucede en sus átomos. Sí, es hora de analizar la materia por dentro para comprender este curioso efecto.
Las sustancias con las que pintaron los carteles de emergencia que pueden brillar en la oscuridad están compuestas por átomos que tienen la particularidad de captar la energía lumínica que les incide y “excitar” sus electrones. Recordemos que los electrones, que giran alrededor del núcleo de un átomo, tienen un cierto nivel de energía particular, encontrándose en diferentes órbitas de acuerdo a su nivel energético.
Cuanto más energía presenta el electrón, éste se ubica en órbitas más alejadas del núcleo que tienen, justamente, un mayor nivel energético. Cuando la luz incide, los electrones se excitan y pasan a niveles energéticos más altos, como vemos en la figura 1 de a continuación.
Figura 1: la energía radiante incide sobre el pigmento fosforescente y excita los electrones, haciendo que estos pasen a niveles energéticos más altos.
Sin embargo, cuando la luz se apaga, estos electrones volverán a sus niveles energéticos iniciales, esos en los que se encontraban naturalmente cuando la luz no los excitaba. Al volver, la energía excedente contenida en ellos se libera en forma de luz al ambiente, como se observa en el modelo de la figura 2. Es decir, el cuerpo emitirá energía radiante en forma de luz cuando se encuentre en la oscuridad. Y es así como nuestro curioso objeto brillará en la oscuridad. ¡Muy interesante!
Figura 2: Sin la presencia de la energía radiante que incidía sobre el pigmento fosforescente, los electrones vuelven a sus niveles energéticos originales y la energía excedente es liberada en forma de energía lumínica.
Mesografía Sugerida
En el portal mexicano Crónica.com.mx, el doctor Carlos Eduardo Rodríguez García habla mucho más acerca de la historia de los materiales fosforescentes. Te sugerimos su lectura en http://www.cronica.com.mx/notas/2014/829950.html
En la medición del efecto de la radiación absorbida por el cuerpo humano o por un animal, se utiliza una unidad llamada sievert (Sv) o su submúltiplo milisievert (mSv) que equivalea 0,001 Sv. En términos de unidades más conocidas, 1 Sv es igual a la radiación de 1 Joule sobre una masa de 1 kg, teniendo en cuenta el tipo de radiación y la zona irradiada.
¿Cuánta radiación puede recibir una persona como máximo?
Para trabajadores expuestos ocupacionalmente a radiación ionizante, la Comisión Internacional de Protección Radiológica (ICRP) generalmente establece un límite anual de dosis efectiva de 20 millisieverts (mSv) promediados sobre cinco años, con un límite único de 50 mSv en cualquier año.
Para el público en general, el límite de dosis anual efectiva es significativamente más bajo, generalmente alrededor de 1 mSv al año. Este límite es mucho más bajo debido a la presunción de que el público no tiene la misma comprensión o control sobre la exposición a la radiación que los trabajadores expuestos ocupacionalmente.
Para pacientes sometidos a procedimientos médicos con radiación ionizante, los límites de dosis varían según el tipo de procedimiento y la parte del cuerpo expuesta. Los profesionales médicos hacen todo lo posible para minimizar la dosis de radiación mientras se obtienen los beneficios necesarios del procedimiento.
¿Pero cuánto es el valor promedio de radiación recibida por una persona, anualmente, en contacto con las fuentes de radiación cotidianas? Antes de detallar esto, te recomendamos leer el artículo dedicado a radiación haciendo click aquí. Aunque no lo creas, constantemente estamos expuestos a la radiación en nuestro día a día. Incluso nuestro propio cuerpo es una fuente de radiación. Algunos alimentos, como la leche o el café, son naturalmente radiactivos, pero la dosis liberada es tan baja que no es peligrosa en absoluto.
Entonces:
¿Cuánto es el valor promedio de radiación recibida por una persona, anualmente, en contacto con las fuentes de radiación cotidianas?
Fuentes de radiación natural y artificial
El cosmos nos irradia su propia radiación, llamada radiación cósmica, que nos llega a la Tierra. Esta radiación es la responsable de una dosis anual de 0,4 mSV, un poco menor que la propia radiación terrestre, de unos 0,5 mSv. Nuestro propio cuerpo es una fuente de radiación, con una dosis anual de tan sólo 0,2 mSv.
El ambiente nos da una dosis anual mucho mayor que las dichas anteriormente. El radón es un gas noble presente en el aire que se forma a partir de una serie de reacciones del uranio. La dosis anual de radiación por radón es de 1,3 mSv. Sumando todo, nos da una dosis anual de 2,4 mSv. Dependerá de las actividades de cada persona si recibirá más o menos. Por ejemplo, los radiólogos tienen un dosímetro en sus chaquetas que mide la cantidad de radiación recibida. Superado un valor límite, sería peligroso para ellos continuar con su labor.
Existen distintos estudios médicos en los que recibimos radiación. Una radiografía de tórax equivale a 1 mSv aproximadamente. Por ello, los radiólogos se “ocultan” detrás de una pared que contiene plomo durante la fotografía, de forma tal que esa radiación no les llegue.
En este artículo hablaremos sobre la Datación Radiactiva, dando una explicación sobre cómo puede ser calculada la edad de las rocas en un laboratorio.
El tiempo de vida media
¿Alguna vez te preguntaste cómo puede saberse la edad de un meteorito, una roca o un fósil? En la paleontología, estos datos son importantísimos, así como para estudiar la edad de nuestro propio planeta. Averigüemos cómo lo hacen.
En otros artículos de Ensamble de Ideas, hemos visto el concepto de tiempo de vida media, el cual es el tiempo que tarda una muestra de cierta sustancia en reducir su concentración a la mitad. ¿Qué significa todo esto?
Sencillo: imagina tener una cantidad de materia que es radiactiva, es decir, que emite radiación constantemente. La pesas y ves, en tu balanza, que tienes 40g de esa sustancia. Si el tiempo de vida de tu sustancia fuera de 2 días, significa que pasados dos días desde que lo pesaste tendrás 20g de sustancia. En los siguientes dos días (es decir, cuatro días después de que lo pesaste), te quedarán sólo 10 días. Lo importante es que veas que no significa que te quedarás sin sustancia sino que la concentración bajó a la mitad.
¿Y qué pasó con la parte “perdida”? En realidad, parte de la materia se transformó en energía (que llamaremos energía radiante) y quedarán partículas mucho más pequeñas o sencillas.
Datación por isótopos de uranio-238
¿Qué elementos radiactivos se te vienen a la mente? Lo más común es pensar en elementos como el uranio o el plutonio. Pues sí, ellos son los más comunes, pero existen muchos más. Ya que algunos miembros de la serie del uranio tienen vidas medias muy largas, resultan particularmente adecuadas para calcular la edad de rocas en la Tierra y en objetos extraterrestres.
Existe una partícula llamada “uranio-238” (pues su masa atómica es de 238, el más abundante en la naturaleza). A medida que pasa el tiempo, este uranio -presente en los minerales- irá descomponiéndose en partículas mucho más sencillas. En particular, el uranio-238 libera energía radiante y pasa a ser otra partícula más pequeña, el plomo-206. El tiempo de vida media del uranio-238 es de \(4,51\cdot 10^{9}\), esto es unos 4.510.000.000 años (¡casi la misma edad que tiene nuestro planeta!)
Ecuación 1: Ésta es la ecuación química que representa el decaimiento radiactivo del uranio-238 en plomo-206.
Teniendo en cuenta lo dicho anteriormente, en las rocas actuales se deberían encontrar (y en efecto, se encuentran) algunos isótopos de plomo-206 formados por decaimiento radiactivo. Suponiendo que no había plomo presente cuando el mineral se formó y que el mineral no ha sufrido cambios químicos que pudieran provocar la separación del isótopo de plomo-206 del uranio-238 padre, es posible calcular la vida de las rocas a partir de la relación de masas de 206Pb a 238U.
La Ecuación 1 indica que por cada mol o 238g de uranio que sufre un decaimiento completo, se forma un mol o 206g de plomo. Interesantes estudios basados tanto en las series de uranio como en otras series de decaimiento radiactivo permiten determinar la vida de las rocas de mayor edad y, por lo tanto, probablemente a la vida de la Tierra misma, en unos 4,5 x 109 ó 4,5 mil millones de años.
Datación por isótopos de potasio-40
Respecto de la datación mediante la utilización de isótopos de potasio-40, se puede decir que ésta es una de las técnicas más importantes en Geoquímica. El isótopo radiactivo de potasio-40 decae de varias formas distintas, pero la más relevante en lo que respecta a la determinación de antigüedades es la de captura de electrones:
Ecuación 2: Ésta es la ecuación química que representa el decaimiento radiactivo del potasio-40 en argón-40.
La acumulación de argón-40 gaseoso se usa para medir la vida de un espécimen. Cuando un átomo de potasio-40 decae en un mineral, el argón-40 que se forma queda atrapado en la red del mineral y sólo puede escapar si el material se funde. La fundición es, por lo tanto, el procedimiento para analizar una muestra de mineral de laboratorio.
La cantidad de argón-40 presente puede medirse convenientemente con un espectrómetro de masas. Conociendo la relación de argón-40 a potasio-40 en el mineral y la vida media del decaimiento es posible establecer la edad de rocas que tienen entre miles y billones de años de edad.
¿Qué es la espectrometría de masas?
La espectrometría de masas es una técnica experimental que permite la medición de iones derivados de moléculas. El espectrómetro de masas es un instrumento que permite analizar con gran precisión la composición de diferentes elementos químicos e isótopos atómicos, separando los núcleos atómicos en función de su relación masa-carga.
Fósiles utilizados para estudiar los organismos prehistóricos.
Aquí concluimos nuestro recorrido por el útil mundo de los fenómenos ligados a la datación radiactiva. Es evidente que su descubrimiento fue uno de los más importantes de la historia científica por sus usos contemporáneos. Es evidente que su descubrimiento es insoslayable para el desarrollo de la ciencia misma.
El artículo se desarrollará a partir de importantes ejes: la descripción de radiactividad natural y radiactividad artificial, sus usos en las ciencias modernas mundiales y losefectos que produce la radiactividad en el ser humano. Se irán presentando, a veces superponiendo unos con otros, a medida que se considere necesario detallarlos y explicarlos para la comprensión de los ejes temáticos como una totalidad. No obstante, la didáctica es sólo una notación al margen utilizada para transmitir la gran diversidad de temas tratados y disminuir la complejidad que pueden presentar, en un intento de realizar una transposición acorde al nivel de los lectores.
Seguramente el lector tiene conocimiento de la existencia de partículas subatómicas que forman a los átomos: los protones, los neutrones y los electrones. Los protones, de carga positiva, se encuentran concentrados en una zona central o núcleo atómico junto con los neutrones[note]Te recomendamos la lectura previa de esta entrada: partículas subatómicas[/note].
Ahora bien, si se tiene en cuenta que todos los protones poseen carga positiva, no sería tan errado pensar que se repelen entre sí. Sin embargo, en la mayoría de los átomos esto no sucede. ¿Por qué? Porque en el núcleo existen fuerzas de atracción muy fuertes, llamadas Fuerzas Hadrónicas, que mantienen unidos a protones y neutrones. Concluimos que las fuerzas de repulsión resultan mucho más débiles.
No obstante, esto es así en la mayoría de los casos, pero no en todos. Algunos átomos tienen núcleos inestables donde las fuerzas de repulsión superan las de atracción. Entonces, estos núcleos se desintegran espontáneamente y, consecuentemente, liberan energía.
La radiactividad en la historia
La primera evidencia de estas desintegraciones nucleares fue la existencia de las denominadas radiaciones. En el presente informe, nos ocuparemos de estudiar este fenómeno denominado radiactividad.
Tomaron un papel muy importante en el estudio de dicho fenómeno científicos como los franceses Antoine-Henri Becquerel (1852 – 1908, comprobó que ciertas sales de uranio[note]En el transcurso de los artículos se darán todos los detalles necesarios sobre las propiedades de los elementos radiactivos por excelencia.[/note] emiten radiaciones sin necesidad de recibir ningún aporte de energía externo, como la luz solar) y Pierre Curie (1859 – 1906) y de su esposa Marie Sklodowska de Curie (1867 – 1934). Estos últimos verificaron las propiedades del uranio y también descubrieron otros dos elementos que emitían radiaciones: el polonio y el radio.
Descubriremos los secretos de uno de los fenómenos más sorprendentes descubiertos en el área de la físico-química, deteniéndonos en sus propiedades, efectos y usos hoy en día.
Al estudiar la fluorescencia y la fosforescencia de compuestos irradiados con luz visible, Antoine Henri Becquerel[note]Te recomendamos la lectura previa de esta entrada: partículas subatómicas[/note] realizó, en 1896, un experimento crucial que condujo a un conocimiento más profundo de las propiedades del núcleo del átomo. Después de iluminar con luz visible algunas muestras de Sulfato de Uranio (UO2SO4) y Sulfato de Potasio (K2SO4), Becquerel las envolvió en papel negro e interpuso una moneda de plata entre el paquete y una placa fotográfica. Tras varias horas de exposición, se reveló la placa fotográfica y presentó un ennegrecimiento causado por algo que tenía que haber sido emitido por el compuesto y que podía atravesar el papel negro y la plata.
Ernest Rutherford demostró posteriormente que las emanaciones emitidas por el Sulfato de Uranio podían ionizar el aire del espacio entre dos láminas metálicas con carga opuesta (posteriormente, un dispositivo con tales características sería llamado cámara de ionización). La corriente registrada por un galvanómetro[note]El galvanómetro es un instrumento que se usa para detectar y medir la corriente eléctrica.[/note] en serie con el circuito fue considerada como una medición de la actividad del compuesto.
Un estudio sistemático de la actividad de varios elementos y compuestos llevó a Maria Sklodowska-Curie[note]Nacida el 7 de noviembre de 1867 y fallecida el 4 de julio de 1934, fue una química y física de origen polaco, aunque luego obtuvo la nacionalidad francesa. Fue la primera científica en recibir dos Premios Nobel (el de Física en 1903 y el de Química en 1911) y la primera mujer en ser profesora de la Universidad de París.[/note] a la conclusión de que esta actividad era un fenómeno atómico; por los métodos del análisis químico, ella y su esposo, Pierre Curie[note]Nacido en París, Francia, el 15 de mayo de 1859, ganó el Premio Nobel de Física en 1903, compartido con su esposa Marie Curie, gracias a sus investigaciones sobre la radiación.
Falleció en la mañana del 19 de abril de 1906 debido a un accidente que le ocasionó graves fracturas craneanas.[/note], encontraron que la “capacidad ionizante” o “actividad” estaba asociada no sólo al uranio, sino también a otros dos elementos descubiertos por ellos, el Radio y el Polonio. La actividad del radio resultó ser más de un millón de veces la del uranio. Desde los tiempos precursores de los Curie, se han descubierto muchas más sustancias radiactivas.
Marie y Pierre Curie. Quienes estudiaron a fondo la radiactividad.
El fenómeno de la radiactividad
Radiactividad: ¿qué es?
Para comenzar a describirlas, es importante mencionar que entre unos 2.500 núclidos (cada una de las posibles agrupaciones de partículas subatómicas contenidas en el núcleo: los protones, de carga positiva, y los neutrones, sin carga eléctrica) conocidos, menos de trescientos son estables. Los demás son estructuras inestables que se desintegran para formar otros núclidos, emitiendo partículas y radiación electromagnética. Este proceso, que como se ha mencionado en los párrafos anteriores fue descubierto por Becquerel y estudiado profundamente por los Curie, es llamado radiactividad. La escala de tiempos de esos procesos de decaimiento va desde una pequeña fracción de microsegundo (denotado μs, millonésima parte de un segundo, igual a 10-6 s) hasta miles de millones de años.
La experiencia muestra que los que núcleos que tienen más de 83 protones, tienden a ser inestables. La radiactividad es la emisión espontánea de partículas o de radiación electromagnética, o de ambas, que sufren esos núcleos inestables. Los principales tipos de radiación son las partículas α (o núcleos de helio con doble carga, He+2), las partículas β (o electrones) y los rayos γ, que son ondas electromagnéticas de longitud de onda muy corta (de 0,1 mm a 10-4 nm). En breve, nos ocuparemos especialmente de cada uno.
Serie de decaimiento radiactivo
Cuando un núcleo radiactivo se desintegra, los productos formados también pueden ser inestables y por lo tanto sufrirán una desintegración posterior. Este proceso se repite hasta que finalmente se forma un producto estable. Comenzando con el núcleo radiactivo original, la secuencia de desintegración por pasos se conoce como serie de decaimiento. Cuando se habla de los pasos del decaimiento radiactivo, el isótopo radiactivo inicial se llama a veces el “padre” o “progenitor”, en tanto que el producto se conoce como el “descendiente”.
Casi el 90% de los 2500 núclidos conocidos son radiactivos; no son estables, sino que se desintegran y forman otros núclidos. Cuando los núclidos inestables decaen y forman diferentes núclidos, suelen emitir partículas α, β o rayos γ.
Las investigaciones de Becquerel y Marie y Pierre Curie abrieron las puertas a un fascinante e importantísimo mundo donde cada descubrimiento sería el inicio a un futuro donde las transmutaciones nucleares, el fechado de obras arqueológicas, la datación de materiales geológicos, prevención y cura de enfermedades, entre otros usos, serían posibles. Esos adelantos científicos son nuestra realidad de hoy en día y son el producto de décadas de estudio arduo acerca del gran fenómeno de la radiactividad.
Como se ha visto, algunos átomos tienen núcleos inestables donde las fuerzas de repulsión superan a las de atracción. Entonces, estos núcleos se desintegran espontáneamente y, al “romperse”, liberan energía.
Usos de la radiactividad
Las primeras luces que se veían en el horizonte del mundo del conocimiento sobre las reacciones nucleares, que incluía temas tan complejos y variados como la comprensión de las emisiones radiactivas (rayos α, β y γ), el estudio de las semividas de los radioisótopos, sus consecuentes aplicaciones en la biotecnología del mundo moderno, la obtención de energía a partir de las plantas nucleares, etc.
Es emocionante descubrir los mil y un usos benéficos de este gran fenómeno y la tonelada de investigaciones que recibió post-descubrimiento; asimismo es triste observar que años de estudio acerca de la reactividad, procesos químicos nucleares y física nuclear se utilicen para la realización de bombas, armas bélicas y destrucción.
Pero las investigaciones no acaban aquí. Aún hay mucho por descubrir y la comunidad científica estará abierta a recibir las relevantes noticias.
Te invitamos a leer el texto presente en https://www.educ.ar/recursos/113670/marie-curie-y-el-descubrimiento-del-radio de la página web educ.ar , del Ministerio de Educación de la Nación Argentina. Escribe, en forma de lista, 10 ítems que mencionen los descubrimientos más sobresalientes de Marie Curie en la historia de la ciencia que allí aparezcan.
Fuentes
Chang, Raymond (4ta. Edición. 1992). Química, p. 40, pp. 561-562, pp. 962-969, pp. 982-985. Chile: Editorial Mc. Graw Hill.
Franco, Ricardo; Arriazu, Francisco López; Serafini, Gabriel D. (2008). Física y Química. (Intercambios de energía. Estructura y transformaciones de la materia.), pp. 161-164. Buenos Aires, Argentina: Editorial Santillana.
Rolando, Aída; Jellinek, Mario René (Febrero, 1995). Química 4, pp. 441-460. Bogotá, Colombia: A-Z Editora.
Young, Hugh D.; Freedman, Roger A. (12da. Edición. 2009). Física Universitaria, con física moderna (Volumen 2), pp. 1478-1492. México: Pearson Educación.
