Materia y energía

La materia y la energía forman parte del Universo: la materia le da estructura mientras que la energía le proporciona la capacidad de cambio. Cuando se originó el Universo, todo era energía concentrada. A medida que este se fue expandiendo y enfriando se fue formando materia a partir de energía.

Una forma fácil de entender qué es materia y qué es energía es la siguiente:

• una fruta y una mesa son materia;
• la capacidad de la fruta de caer de la mesa y golpear un animal es energía; la capacidad de la fruta para servir de alimento es energía.
• La capacidad de que una mesa (al ser quemada) caliente una habitación es energía; la capacidad de que la mesa sirva para romper una ventana es energía.

¿Qué es materia?

La materia es todo aquello que está constituido por partículas subatómicas y ocupa un espacio, aunque sea extremadamente diminuto: un electrón, un protón, un neutrón y todo lo que pueda construirse a partir de estos es materia. Por ejemplo, una mesa está constituida de moléculas que forman la madera, de clavos de hierro y otros elementos, que son materia.

El término "materia" deriva del latín mater que significa "madre". Esto significa que la materia es la "madre" de todo lo que nos rodea. Por ejemplo, el aire, aunque no lo vemos, es materia, porque está constituido por moléculas de nitrógeno, oxígeno y otros gases. El teléfono, la computadora, los alimentos, los animales, los edificios son todos ejemplos de materia.

La materia puede absorber energía. Un claro ejemplo de ello es lo que sucede cuando colocamos comida en el horno microondas:

• el agua dentro de los alimentos absorbe la energía de las ondas microondas;
• la energía en el agua se transfiere al resto de las moléculas del alimento.

Esa transferencia de energía es lo que hace que aumente la temperatura, cocinando los alimentos.

Ley de conservación de la materia

La ley de conservación de la materia establece que la materia no se crea ni se destruye sino que se transforma. Por ejemplo, cuando se quema por completo un pedazo de madera en un sistema cerrado y se pesan las cenizas, el dióxido de carbono y otros compuestos del humo, la suma de las masas será aproximadamente igual a la masa del pedazo de madera original.

¿Cuáles son las características de la materia?

• Posee masa: es la cantidad de materia, por ejemplo, un electrón tiene una masa de 9 x 10^-31 kg, un litro de agua tiene una masa de 1 kg, el Sol tiene una masa de 1,9 x10³⁰ kg.
• Posee propiedades físicas: dentro de las cuales se pueden mencionar la densidad, la conductividad eléctrica, el punto de fusión o ebullición, la volatilidad y la dureza, entre otras.
• Posee propiedades químicas: la materia puede trasformarse por medio de reacciones químicas, como la combustión, la oxidación, la descomposición.

¿Cuáles son los estados de la materia?

La materia se presenta en diferentes formas o estados:

• Sólido: los átomos y las moléculas se encuentran tan empacados que su movimiento se encuentra restringido.
• Líquido: los átomos y moléculas de un líquido aunque están agrupados pueden moverse libremente.
• Gas: átomos y moléculas se encuentran separados entre sí y no tienen restricciones de movimiento.
• Plasma: los átomos de los gases se encuentran ionizados. Este es el estado de la materia de gran parte del Universo; lo conseguimos en las estrellas, en los relámpagos y en las auroras.
• Condensado Bose-Einstein: cuando un conjunto de átomos se encuentra en el cero absoluto (-273 ºC), están tan empacados e inmóviles que parecieran un único átomo.
• Cristales líquidos: es el estado de la materia intermedio entre sólido y líquido sin pertenecer a ninguno de los dos. Lo encontramos en televisores de pantalla plana, las pantallas de computadores y relojes.

Te puede interesar ver también la diferencia entre estados de la materia y propiedades de la materia.

¿Qué es energía?

La definición científica de energía es la capacidad de producir un trabajo. En este sentido se entiende el trabajo como todo proceso donde se desplaza o deforma un cuerpo. Por ejemplo, la capacidad de una piedra en lo alto de una montaña para caer y tumbar árboles en su caída, lo cual sería un trabajo, es su energía.

Ley de conservación de la energía

La ley de conservación de la energía o principio de conservación de la energía establece que el contenido de energía de un sistema se mantiene constante. Es decir, la energía no se crea ni se destruye.

Por ejemplo, una cierta cantidad de gasolina tiene una X cantidad de energía química asociada. Cuando encendemos el vehículo, la energía de la gasolina no se destruye sino que se transforma en energía cinética para mover el vehículo y energía térmica. La suma de la energía cinética más la energía térmica del vehículo es igual a la cantidad de energía química de la gasolina, no puede ser ni más, ni menos.

¿Cuáles son las características de la energía?

• Cantidad de energía que posee un cuerpo es limitada: la fruta sobre la mesa tiene una energía limitada por su masa y por la distancia desde la mesa hasta el piso.
• La energía se transforma en sus diferentes formas: la energía química de la gasolina se transforma en energía cinética cuando mueve un pistón en el automóvil.
• Existen diversas fuentes de energía, como el Sol, el viento y el petróleo.
• Se puede almacenar: en las baterías eléctricas se almacena energía química, en las represas hidroeléctricas se almacena energía potencial gravitatoria del agua.

Formas de la energía

La energía se puede presentar en diferentes formas:

• Energía potencial: es la energía asociada a un cuerpo con respecto a otro cuerpo de referencia, por ejemplo, la energía potencial gravitatoria es la energía de un cuerpo con respecto a su posición en la Tierra, mientras más alto, más energía potencial posee.
• Energía cinética: es la energía asociada con el movimiento de los cuerpos, por ejemplo cuando al agua de un rio hace mover las rocas tiene energía cinética.
• Energía mecánica: cuando un vagón está en lo alto de una montaña rusa posee una energía potencial, que se transforma en energía cinética a medida que el vagón va bajando y adquiriendo una cierta velocidad. En este caso el vagón posee una energía mecánica, que es igual a la suma de la energía cinética y energía potencial.
• Energía radiante: la luz del Sol llega hasta la Tierra como energía radiante.
• Energía térmica: cuando nos calentamos con una bolsa de agua caliente estamos haciendo uso de energía térmica.
• Energía nuclear: cuando un núcleo de un átomo se rompe o se fusiona, libera energía nuclear.
• Energía química: cuando la glucosa en las células se transforma en dióxido de carbono se libera la energía que se encuentra entre los átomos de la molécula como energía química.
• Energía eléctrica: cuando las partículas con carga positiva o negativa se mueven estamos en presencia de la electricidad o energía eléctrica.

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¿Cuál es la relación entre materia y energía?

A principios del siglo XX, el físico teórico Albert Einstein (1879-1955) mostró que la materia se transforma en energía y que la energía puede transformarse en materia. A esta equivalencia se le conoce como la "teoría de la relatividad" y se expresa en la famosa ecuación:

E = m.c²,

donde E representa la energía, m representa la masa y c es la velocidad de la luz.

El ejemplo mejor conocido de la transformación de materia en energía es la reacción de fusión de núcleos de hidrógeno en las estrellas. Es esta energía en el Sol que mantiene la vida sobre la Tierra.

Recordemos que en los orígenes del Universo sólo existía energía, que luego se transformó en materia. De manera experimental, la energía se transforma en materia cuando un fotón (una partícula de alta energía) atraviesa un núcleo atómico, produciendo una partícula de materia (electrón) y una partícula de antimateria (positrón).

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• Energía cinética y potencial.
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Referencias

Karam, P.A., Stein, B.P. (2011). Science foundations: matter and energy. Chelsea House. New York.