1. LA MATERIA
Todo cuanto nos rodea en la naturaleza está constituido por materia, que es lo
que forma los cuerpos. La materia se nos presenta en tres estados físicos,
llamados estados de agregación: sólido, líquido y gaseoso, y puede pasar de
un estado a otro al variar la temperatura, produciéndose los “cambios de
estado”.
PROPIEDADES FUNDAMENTALES DE LA MATERIA
La materia tiene propiedades que varían de unos cuerpos a otros. Aunque son
muchas las que podemos estudiar: el color, el sabor, la dureza..., sabemos que
no todas se dan en todas las sustancias; porque ¿qué dureza tienen los
líquidos?, ¿a qué huele un trozo de hierro? o ¿qué sabor tiene el aire?
Por ello, nos fijamos en dos que sí tienen todos los cuerpos, llamadas
propiedades fundamentales: el volumen y la masa.
El volumen de un cuerpo es el espacio que ocupa. Para medirlo utilizamos
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como unidad principal el metro cúbico (m ), que es el volumen que ocupa un
cubo cuyo lado mide 1 metro. Aunque como esta unidad es bastante grande,
con frecuencia usamos otras unidades más pequeñas, sus submúltiplos, en
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especial el decímetro cúbico (dm ) y el centímetro cúbico (cm ).
Utilizamos las unidades de volumen cuando tratamos con cuerpos sólidos, pero
para los líquidos y gases solemos usar las unidades de capacidad, cuya
unidad principal es el litro (l), y cuya equivalencia con la unidad principal de
volumen es:
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1 m = 1.000 l
Podemos medir el volumen de un cuerpo de diferentes maneras:
• Usando instrumentos de medida. Por ejemplo, con ayuda de una probeta u otro
recipiente graduado podemos saber el volumen de un líquido. También podemos
conocer el volumen de un cuerpo pequeño e irregular sumergiéndolo en un
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2. líquido y viendo la diferencia entre la altura del nivel del líquido después y antes
de sumergirlo.
• Efectuando cálculos matemáticos, si se trata de un sólido de forma sencilla,
multiplicando el área de su base por su altura.
• Como los gases ocupan todo el recipiente que los contiene, su volumen es el
volumen del recipiente.
La masa es la cantidad de materia que tiene un cuerpo, y sus unidades
principales son el kilogramo (kg), que coloquialmente llamamos kilo, y el
gramo (g). Aunque midan igual, no debes confundir masa con peso de un
cuerpo, ya que son conceptos físicos diferentes que mezclamos al hablar.
Mediante una balanza podemos medir la masa de cuerpos pequeños.
DENSIDAD
La relación entre la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa recibe el
nombre de densidad. Cada sustancia, en su estado natural, tiene una
densidad característica. Por ejemplo, 1 litro de agua en estado líquido tiene una
masa de 1 kilogramo: decimos que la densidad del agua es 1 kg/l. Y 1 litro de
hierro, en estado sólido, tiene una masa de 7,9 kg: decimos que su densidad es
de 7,9 kg/l.
Los cuerpos más densos que el agua, como una llave o un objeto de hierro, se
hunden en ella; los menos densos, como un tapón de corcho o un trozo de
madera, flotan sobre ella.
Si en un vaso echamos agua (densidad = 1 kg/l), aceite (densidad = 0,92 kg/l) y
alcohol etílico (densidad = 0,8 kg/l), vemos cómo se forman tres capas de
líquido: la de arriba de alcohol, la de en medio de aceite y la inferior de agua.
Los tres líquidos se sitúan según el valor de sus densidades, sin mezclarse.
Para calcular la densidad de una sustancia hemos de medir primero su masa y
su volumen. Su densidad será el resultado de dividir la masa entre el volumen
hallados.
Para obtener la densidad de un sólido, lo podemos pesar en una balanza
para saber su masa, y sumergirlo en un vaso con agua para calcular su
volumen por diferencia entre los niveles del líquido.
Para medir la densidad de un líquido podemos utilizar un vaso graduado:
primero hemos de pesar el vaso vacío y después lleno con el líquido, y
restando obtenemos su masa. El volumen que ocupa lo vemos sobre la escala
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3. graduada. La densidad de un líquido también se puede medir directamente con
un aparato llamado densímetro.
Para obtener la densidad de un gas utilizamos un recipiente cerrado de
volumen conocido. Primero hemos de pesar el recipiente vacío, y luego lleno
con el gas; restando obtenemos su masa. El volumen que ocupa es el del
recipiente.
CAMBIOS DE LA MATERIA
Al estallar un castillo de fuegos artificiales, tiene lugar una transformación
instantánea de la materia que forma los cohetes. De la misma forma, el agua
de un río pule continuamente los cantos del fondo y de sus orillas, modificando
su forma.
La materia que forma todos los cuerpos de la naturaleza no es inalterable, sino
que cambia con el tiempo, aunque a veces no podamos apreciar los cambios
que están sucediendo, hasta que no transcurre un largo periodo.
TIPOS DE CAMBIOS EN LA MATERIA
Según el tiempo que tarden en producirse los cambios, estos pueden ser:
• rápidos: como la descomposición del cuerpo de un animal o la de cualquier otro
ser vivo (descomposición de la materia orgánica);
• lentos: como la erosión que sufre una roca por la acción del agua o del viento.
Además, los cambios en la materia pueden ser de estos dos tipos:
• físicos, si tras el cambio la materia sigue siendo la misma; por ejemplo, tras un
cambio de estado: el agua se congela transformándose en hielo o se evapora
transformándose en vapor de agua, pero el agua líquida, el hielo y el vapor están
constituidos por la misma materia;
• químicos, si se transforma en otra materia diferente; por ejemplo, una
combustión: la madera al arder se convierte en dióxido de carbono (y otros
gases) y cenizas, que son sustancias diferentes a la inicial; se ha producido una
reacción química. Una reacción química es el proceso por el que al poner en
contacto dos o más sustancias, se transforman en otras sustancias diferentes a las
iniciales..
CAMBIOS FÍSICOS
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4. Algunos de ellos son:
Los cambios de estado, que son los pasos de sólido a líquido y a gas, o
viceversa.
La dilatación, que es el aumento de volumen que se produce en un cuerpo a
consecuencia del aumento de su temperatura.
El movimiento, o cambio de la posición que ocupa un cuerpo en el espacio.
La fragmentación, que es la división de un cuerpo en trozos más pequeños
que conservan su misma naturaleza, como cuando partimos una barra de pan
en trozos.
La mezcla de varias sustancias sólidas, líquidas o gaseosas, sin que ninguna
de ellas pierda o cambie sus propiedades. Las mezclas son un cambio físico
bastante frecuente, que vamos a estudiar más detenidamente.
Clases de mezclas y métodos de separación.
Hay dos tipos de mezclas:
• homogéneas: si no podemos distinguir a simple vista sus componentes; por
ejemplo, el aire que respiramos es una mezcla de gases: oxígeno, nitrógeno y, en
menor proporción, dióxido de carbono, vapor de agua y otros; el agua de mar es
una mezcla de agua y diferentes sales;
• heterogéneas: si podemos distinguir sus componentes; por ejemplo, un vaso con
agua y aceite: ambos se distinguen perfectamente; o una piedra de granito, en la
que se aprecian sus tres componentes, cuarzo, feldespato y mica, al tener cada
uno diferente color.
Hay seis métodos físicos principales para separar los componentes de una
mezcla, eligiéndose uno u otro según que la mezcla sea sólida o líquida, y
según las características de sus componentes:
• Por tamización: si la mezcla está formada por granos de diferentes tamaños,
haciéndola pasar por un tamiz, la separaremos en sus componentes. Los
buscadores de oro usaban esta técnica para buscar las pepitas del mineral.
• Por filtración: separamos un sólido del líquido en el que está suspendido,
vertiendo la mezcla en un embudo con un filtro poroso por el que el líquido
puede penetrar fácilmente. Así podemos separar arena y agua.
• Por decantación: separamos dos líquidos de diferentes densidades, vertiendo la
mezcla en un embudo de decantación; cuando ha reposado y se han formado dos
capas, abrimos la llave inferior del embudo y dejamos caer el más denso,
quedando el menos denso en el embudo. Así separamos una mezcla de aceite y
agua, por ejemplo.
• Por separación magnética: si una de las sustancias de la mezcla tiene
propiedades magnéticas, como el hierro, la podemos separar con un imán.
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5. • Por evaporación: si en una mezcla líquida conseguimos que uno de los
componentes se evapore, quedando el otro.
• Por cristalización y precipitación: algunas mezclas líquidas, como la del
sulfato de cobre en agua, tras calentarlas y filtrarlas, se dejan en un cristalizador
(recipiente bajo y ancho), de manera que al enfriarse, el agua se evapora y el
sulfato de cobre queda separado en forma de cristales.
CAMBIOS QUÍMICOS
Algunos de ellos son:
La oxidación, que es el cambio lento que sufren algunas sustancias en
contacto con el oxígeno; por ejemplo, cuando partimos una manzana por la
mitad y la dejamos en un plato, al cabo de uno o dos días vemos como la parte
sin piel se ha oscurecido; o cualquier objeto de hierro, como una verja o una
llave, que con el tiempo aparece recubierto de una capa de óxido de hierro.
La combustión, que es una oxidación con desprendimiento de calor.
La fermentación, que es la transformación que sufre el azúcar en alcohol y
agua, por ejemplo el zumo de las uvas se convierte en vino.
La putrefacción, que es la descomposición de cualquier ser vivo tras su
muerte.
EL CALOR
Cuando el agua de la bañera está muy caliente, abres el grifo del agua fría
hasta conseguir que la mezcla esté templada, para poderte meter en ella. Lo
que haces es enfriar el agua que estaba demasiado caliente.
Lo que se produce es un intercambio de energía, que fluye del agua caliente al
agua fría, y que dura hasta que ambas alcanzan la misma temperatura, en el
momento en que se llega al “equilibrio térmico”.
¿QUÉ ES EL CALOR?
El calor es precisamente la energía que se transmite entre dos o más
cuerpos que se encuentran a diferentes temperaturas; en nuestro caso, los dos
cuerpos son la masa de agua fría y la masa de agua caliente.
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6. La unidad del calor es la caloría (cal), que es la cantidad de calor necesaria
para hacer que 1 gramo de agua pase de una temperatura de 14,5 ºC a 15,5
ºC.
Como la caloría es una cantidad de calor muy pequeña, normalmente usamos
un múltiplo de ella: la kilocaloría (kcal), que es igual a 1.000 calorías.
¿CÓMO SE TRANSMITE EL CALOR?
El calor se puede transmitir de tres maneras: por conducción, por convección o
por radiación.
En los cuerpos sólidos, por conducción: al mover la leña ardiendo de una
chimenea con el atizador, notamos cómo su asa se va calentando, aunque solo
la punta está en contacto con el fuego. Si acercamos a una cerilla encendida
un lápiz o cualquier trozo de madera, al poco tiempo comienza a arder,
mientras que el extremo al que no le da la llama apenas se calienta.
No todos los sólidos transmiten igual el calor: los metales lo conducen muy
bien, son buenos conductores, mientras que el papel, el plástico o la madera lo
conducen poco o nada, son malos conductores o aislantes.
En los líquidos y gases, el calor se transmite por convección: al calentar agua
en una tetera, se forma una corriente de agua caliente, que asciende desde la
base de la tetera hasta la superficie, y de fría en el sentido contrario. En la
atmósfera ocurre lo mismo con las corrientes de aire caliente y frío,
originándose los vientos.
El calor también se transmite por radiación: cualquier cuerpo caliente emite
rayos “caloríficos” que pueden calentar a los cuerpos más fríos que se hallen a
su alrededor (que estén a menor temperatura). Al arder, la leña de una
chimenea emite rayos que calientan el aire de la habitación. El Sol, que se
encuentra a una altísima temperatura, emite rayos que calientan la Tierra.
EFECTOS DEL CALOR SOBRE LOS CUERPOS
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7. Cuando se le transmite calor a un cuerpo, puede ocurrir que el cuerpo:
• llegue a arder, si la temperatura es muy alta; no todos los cuerpos arden, solo
ocurre con ciertos materiales;
• cambie de volumen, se dilate; por ejemplo, en los puentes se dejan unos
espacios rellenos de un material deformable (tipo goma), para que en verano
cuando se dilatan por efecto del calor, no se lleguen a producir fracturas;
• cambie el estado físico en que se encuentra (sólido, líquido o gaseoso). El paso
de sólido a líquido se llama fusión, y el proceso contrario (cuando se pierde
calor), de líquido a sólido, solidificación. El paso de líquido a gas se llama
vaporización, y el proceso contrario licuación. El paso de sólido a gas se llama
sublimación, y el proceso contrario sublimación inversa.
Los cambios de estado más habituales son de sólido a líquido (fusión) y de
líquido a gas (vaporización). La temperatura a la que se produce un mismo
cambio de estado es diferente para cada sustancia.
A estos valores se les llama: temperatura de fusión, temperatura de
vaporización... Por ejemplo, para el agua, la temperatura de fusión es 0 ºC y la
de vaporización 100 ºC; mientras que para el alcohol etílico la temperatura de
fusión es –114 ºC y la de vaporización 78 ºC.
LA ENERGÍA
¿Has pensado alguna vez qué es lo que hace que puedas estudiar, correr o
saltar? Es la energía que nos aportan los alimentos y el oxígeno del aire la que
consumimos en todas las actividades que realizamos, por eso necesitamos
respirar y comer, para reponerla.
Llamamos energía a la capacidad que tiene un cuerpo para producir un trabajo
o provocar un cambio. Sin energía no habría Sol, ni plantas, ni animales,
nada…, ni sería posible la vida.
FORMAS DE ENERGÍA
La energía se nos puede presentar de muchas formas, y algunas de las más
importantes son:
• La energía cinética, que es la que tiene un cuerpo que se halla en movimiento,
por ejemplo, un coche circulando por una carretera.
• La energía potencial gravitatoria, que es la que tiene un cuerpo que está a cierta
altura sobre la superficie de la Tierra. Por ejemplo, una maceta en el balcón de
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8. un tercer piso tiene más energía potencial que la misma maceta en el balcón del
primero. La suma de la energía cinética y la energía potencial se llama energía
mecánica.
• La energía eléctrica, gracias a la cual existe la corriente eléctrica y funcionan
muchos de los aparatos que conocemos.
• La energía química, que es la que almacenan los alimentos, las pilas o los
combustibles.
• La energía calorífica, que es la que se transmiten dos cuerpos que están a
diferentes temperaturas: el caliente al frío.
• La energía eólica, que es la energía del viento.
• La energía solar, que es la energía de la luz del Sol.
• La energía nuclear, que se obtiene en las centrales nucleares, a partir del uranio
y otras sustancias radiactivas.
• El sonido, que es una energía de vibración.
FUENTES DE ENERGÍA
Las fuentes de energía son aquellos materiales o fenómenos de la naturaleza
capaces de suministrar energía en una cualquiera de sus formas. También se
les llama recursos energéticos.
Hay de dos tipos, las fuentes renovables y las no renovables:
• Fuentes renovables, si al usarlas no se agotan; como la luz del Sol, el viento, las
corrientes de los ríos o las mareas de los mares.
• Fuentes no renovables, si se agotan cuando las usamos; como el petróleo, el
carbón o el gas natural.
TRANSFORMACIONES DE LA ENERGÍA
La energía no se crea ni se destruye, simplemente se transforma: cambia de
forma cuando ocurre algún acontecimiento físico o químico.
En los seres vivos, al conjunto de procesos físicos y químicos mediante los
cuales se transforma y utiliza la energía de los alimentos se le llama
metabolismo.
Veamos con un ejemplo corriente, un automóvil, cómo tienen lugar algunas
transformaciones energéticas concretas.
La gasolina con que llenamos el depósito del coche, al pasar al motor, se
inflama y libera gran cantidad de vapor que mueve los pistones y las bielas,
haciendo que el coche se mueva (la energía química se transforma en energía
cinética) y liberando calor (energía calorífica). Podemos conducir el coche por
una carretera empinada hasta lo alto de un puerto de montaña (la energía
cinética se transforma en energía potencial).
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9. Al meter la llave de contacto y accionarla, la batería proporciona la energía
necesaria para arrancar el motor (la energía química se transforma en energía
cinética).
Al circular el coche, se mueve una pieza que hay junto al motor, que se llama
alternador, que genera una corriente eléctrica, gracias a la cual funcionan
todos los mandos y sistemas eléctricos del coche (la energía cinética se
transforma en energía eléctrica).
La corriente eléctrica que genera el alternador permite que podamos encender
los faros y ver la carretera de noche (la energía eléctrica se transforma en
energía luminosa). La corriente eléctrica también permite que podamos
encender y oír la radio (la energía eléctrica se transforma en sonido).
Cuando pisamos los frenos de las ruedas, el rozamiento que se produce entre
las cubiertas de las ruedas y el suelo hace que estas se calienten, lo mismo
que las pastillas de los frenos (la energía cinética se transforma en energía
calorífica).
LA ENERGIÌA EÒLICA
Las placas solares sobre los tejados de algunas casas o los grandes molinos
de viento que vemos al viajar por carretera en ciertos lugares, consiguen
transformar la energía del Sol y del viento, respectivamente, en calor y en
electricidad. Llamamos energías alternativas o renovables a aquellas que se
obtienen de fuentes que no se agotan al usarlas, como la luz del Sol, el viento,
las corrientes de los ríos o las mareas de los mares. Resultan más limpias y
menos dañinas para el medio ambiente que los combustibles fósiles. Veamos
algunas de ellas, las más importantes.
LA ENERGÍA SOLAR
Los rayos de luz solar nos transmiten una pequeñísima parte de la energía que
continuamente se está produciendo en el Sol, por las reacciones nucleares que
tienen lugar en su interior.
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10. La energía solar se convierte en electricidad en los paneles o placas solares,
que están formados por finas láminas de materiales especiales. En algunas
casas, los podemos ver en el tejado, dando servicio para la calefacción o para
el agua caliente de la casa.
La energía solar también se utiliza en los hornos solares, que tienen unos
espejos llamados helióstatos, que se pueden orientar de forma que dirigen la
luz del Sol que reflejan hacia una torre central en la que está el sistema de
calentamiento. Como el número de espejos es muy grande, se alcanzan
temperaturas muy altas, que resultan muy útiles, por ejemplo, en investigación.
LA ENERGÍA EÓLICA
Es la generada por el viento, que al mover las aspas de un molino (llamado
aerogenerador), produce energía eléctrica. En zonas donde sopla mucho
viento, se suelen instalar centrales o parques eólicos, con muchos
aerogeneradores.
LA ENERGÍA HIDRÁULICA
Es la generada en presas y cascadas por la corriente de agua, que al caer
desde gran altura mueve una turbina, produciendo electricidad. El 7% de la
energía que se produce en el mundo es de este tipo.
LA ENERGÍA MAREOMOTRIZ
El ascenso y descenso del agua del mar por el fenómeno de las mareas se
puede aprovechar para generar energía eléctrica. Para ello se construyen
centrales mareomotrices, que embalsan el agua cuando la marea está alta.
Cuando el agua alcanza una diferencia de nivel de más de un metro entre
dentro y fuera, sale moviendo grandes turbinas que generan corriente eléctrica.
LA ENERGÍA GEOTÉRMICA
En el interior de la corteza terrestre se alcanzan temperaturas muy elevadas;
este calor puede ser aprovechado para bombear agua que, al salir a la
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11. superficie, caliente y a gran presión, puede mover una turbina y generar
electricidad. También se pueden aprovechar directamente las reservas de agua
caliente y gas que existen en el interior de la Tierra, perforando pozos o a partir
de los géiseres y grietas de la superficie terrestre. Sin embargo, hoy día, esta
forma de obtener electricidad resulta muy costosa.
LA ENERGÍA DE LAS OLAS
La energía mecánica de las olas es la producida por su movimiento. Se está
investigando un sistema de boyas flotantes en el que, al chocar una ola contra
ellas, se desplazan hacia atrás, recuperando después la posición que tenían.
Unido a cada boya va un generador de electricidad que se activa con el
movimiento.
Este sistema presenta grandes dificultades: si las olas no alcanzan cierta
amplitud, las boyas no se mueven, y por el contrario, si son demasiado fuertes,
se pueden estropear los mecanismos.
LA ENERGÍA DE LA BIOMASA
Se llama biomasa a las sustancias de desecho orgánicas, como el estiércol o
las algas en descomposición; estas sustancias, al descomponerse, desprenden
gases que, al arder, mueven turbinas que generan electricidad.
LA TENPERATURA
“¡Qué calor!, ¿a cuántos grados estamos?” Normalmente hablamos del calor o
del frío que hace, o de lo caliente o fría que está una comida, una bebida…,
pero al hacerlo estamos usando erróneamente el concepto de calor, estamos
confundiendo calor con temperatura.
¿QUÉ ES LA TEMPERATURA?
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12. Todos los cuerpos, ya sean sólidos, líquidos o gases, están constituidos por
partículas que se encuentran en continuo movimiento. Incluso en los sólidos,
en los que las partículas ocupan posiciones fijas, estas vibran con cierta
energía. A la suma de las energías de todas las partículas del cuerpo se le
llama energía térmica.
La temperatura es una medida del grado de agitación de las partículas que
componen un cuerpo.
Cuando ponemos en contacto dos cuerpos, el que está a la mayor temperatura
(y por tanto sus partículas se agitan más) le comunica parte de su energía
térmica al que está a la temperatura menor. A esa comunicación o flujo de
energía entre dos cuerpos con diferentes temperaturas es a lo que llamamos
calor.
No debemos confundir pues, la medida del grado de agitación (la temperatura)
con el flujo de energía (calor). Cuando decimos que “hace calor” queremos
decir en realidad que “la temperatura del medio ambiente es alta”, o al revés, si
“un cuerpo está muy frío” queremos decir que “su temperatura es baja”.
LOS TERMÓMETROS
Un termómetro es un aparato con el que podemos medir la temperatura de
los cuerpos. El termómetro de mercurio convencional está formado por un
tubo muy fino de vidrio (se llama capilar), cuyo extremo inferior se ensancha,
formando un pequeño depósito o ampolla que se encuentra llena de mercurio.
Junto al tubo capilar hay una escala graduada entre cero y cien. La
diferencia entre cada dos de las cien divisiones corresponde a un grado
centígrado (1 ºC) de diferencia de temperatura.
El cero (0 ºC) de la escala se corresponde con la altura que alcanza el mercurio
en el capilar cuando ponemos el termómetro en contacto con hielo que se está
derritiendo (paso de estado sólido a líquido).
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13. El punto cien de la escala (100 ºC) se corresponde con la altura que alcanza la
columna de mercurio si metiéramos el termómetro en un recipiente con agua
hirviendo (paso de líquido a gas). ¡Ni se te ocurra hacer la prueba de esta
medida!, además de lo peligroso que es el agua hirviendo, un termómetro
casero estallaría mucho antes de alcanzar los 100 ºC.
El termómetro que solemos tener en casa para tomarnos la temperatura
cuando nos ponemos enfermos, es un termómetro clínico, que mide
temperaturas entre 30 ºC y 50 ºC, y que está graduado en décimas de grado.
Para medirnos la temperatura corporal con un termómetro “clásico”, lo
colocamos generalmente en una de las axilas y mantenemos el brazo junto al
cuerpo, para que el termómetro contacte bien; debemos permanecer así
durante unos cinco minutos, que es el tiempo que tarda la columna de mercurio
en estabilizarse.
Los modernos termómetros de lectura digital necesitan menos tiempo para
estabilizar la medida de la temperatura, y son por supuesto más fáciles de leer
que los termómetros clásicos.
Nuestro cuerpo se encuentra normalmente a una temperatura de 36,5 ºC. A
partir de los 37 ºC, decimos que “tenemos fiebre”. Por encima de los 38 ºC
decimos que “tenemos fiebre alta”, y más allá de los 39 ºC, “fiebre muy alta”.
LOS EFECTOS DE LA TEMPERATURA
La temperatura determina las condiciones de supervivencia de los seres vivos.
Así, las aves y los mamíferos necesitan mantener su temperatura corporal
dentro de un margen muy limitado de valores para poder sobrevivir, y tienen
que estar protegidos de temperaturas extremas.
Un aumento de solo unos grados en la temperatura de un río como resultado
del calor desprendido por una central eléctrica puede provocar la muerte de la
mayoría de los peces que lo habitan.
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14. Los cambios de temperatura también afectan a las propiedades de todos los
materiales. A temperaturas bajo cero (en zonas polares), por ejemplo, el acero
se vuelve quebradizo y se rompe fácilmente, y los líquidos se solidifican o se
hacen muy viscosos.
A temperaturas elevadas, los materiales sólidos se convierten en líquidos o
incluso en gases; los compuestos químicos se separan en sus componentes.
Los cambios periódicos que sufre la temperatura de la atmósfera terrestre se
deben básicamente a que los rayos del Sol calientan cada zona del planeta de
forma desigual, según la estación del año en que nos encontremos. Así,
cuando los rayos calientan más el hemisferio norte de la Tierra, en él la
temperatura es alta: es verano; mientras que en el hemisferio sur ocurre todo lo
contrario: allí entonces es invierno.
LOS SÓLIDOS ,LIQUIDOS Y LOS GASES
En la naturaleza, la materia se nos presenta en tres estados físicos diferentes:
sólido, líquido y gaseoso. Aunque algunas sustancias, como el agua, pueden
existir en los tres estados, lo normal es que, en su estado natural, cada
sustancia aparezca en uno solo de ellos.
Por ejemplo, el hierro se encuentra en estado sólido (formando parte de
distintos minerales), para pasarlo al estado líquido hay que fundirlo a
temperaturas muy altas (en los altos hornos), y en el Sol, a millones de grados
centígrados, está en estado gaseoso.
PROPIEDADES DE LOS SÓLIDOS
Las partículas que constituyen un sólido están unidas entre sí por fuerzas muy
intensas, de manera que resulta muy difícil separarlas; por ello los sólidos
tienen una forma bien definida.
Las partículas que constituyen un cuerpo sólido están tan próximas entre sí que
por mucha fuerza que hagamos no las podemos acercar más; los sólidos son
difíciles de comprimir, no cambian de volumen.
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15. Algunas propiedades de los sólidos se deben precisamente a la forma y a la
fuerza con que están unidas sus partículas. Estas propiedades son:
• La dureza, o dificultad para rayar el cuerpo. Por ejemplo, el diamante es mucho
más duro que un trozo de yeso.
• La fragilidad, o tendencia de un sólido a romperse sin deformarse. Por ejemplo,
el vidrio o el barro cocido son frágiles.
• La ductilidad, o facilidad que ofrece un sólido a extenderse formando hilos. Por
ejemplo, el cobre del que están hechos los hilos en el interior de los cables de la
luz.
• La maleabilidad, o capacidad que presenta un sólido para extenderse en forma
de láminas. Por ejemplo, el oro y el aluminio son metales muy maleables.
• La elasticidad, o tendencia de un sólido a recuperar su forma original tras ser
sometido a una fuerza. Por ejemplo, una cinta de goma o un muelle son muy
elásticos.
• La flexibilidad, o facilidad de un sólido a doblarse sin romperse. Por ejemplo,
podemos doblar una varita de mimbre o un folio de papel sin que se rompan.
• La resistencia, o capacidad de un sólido para soportar pesos sin romperse. Por
ejemplo, las casas se hacen con vigas de hierro o de hormigón, que soportan el
peso de muros y techos.
PROPIEDADES DE LOS LÍQUIDOS
Los líquidos no tienen forma propia, sino que adoptan la forma del recipiente
que los contiene.
Las partículas que constituyen los líquidos están más alejadas entre sí que en
los sólidos, pero esta distancia no se puede hacer menor; por ello el volumen
de un líquido no cambia, es decir, los líquidos tienen volumen constante.
Otras propiedades de los líquidos son la viscosidad y la volatilidad.
Decimos que un líquido es viscoso cuando fluye muy lentamente, como la miel
o el aceite, que son más viscosos que el agua.
Decimos que un líquido es volátil cuando se evapora con facilidad. El olor a
gasolina en una gasolinera nos indica que se trata de un líquido volátil.
PROPIEDADES DE LOS GASES
Las partículas que forman los gases están unidas por fuerzas muy débiles.
Debido a ello, los gases carecen de forma y volumen propios, adoptan la forma
y tienden a ocupar todo el volumen del recipiente que los contiene.
Si al inflar un globo, no paramos de soplar, llegará un momento en que la
presión sea tan grande que lo reviente, expandiéndose el aire de su interior.
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16. Si con un dedo tapamos la boca de una jeringuilla y apretamos su émbolo, éste
avanzará pues el aire que hay en su interior se comprime, mientras que si tiene
agua, nos resultará imposible mover el émbolo, ya que los líquidos no se
comprimen.
Los gases pueden pues comprimirse y expandirse (los líquidos y sólidos
no). Comprimiendo o enfriando un gas, éste puede pasar al estado líquido,
como sucede con el gas licuado que contienen las bombonas de butano.
LOS CAMBIOS DE LA MATERIA
Al estallar un castillo de fuegos artificiales, tiene lugar una transformación
instantánea de la materia que forma los cohetes. De la misma forma, el agua
de un río pule continuamente los cantos del fondo y de sus orillas, modificando
su forma.
La materia que forma todos los cuerpos de la naturaleza no es inalterable, sino
que cambia con el tiempo, aunque a veces no podamos apreciar los cambios
que están sucediendo, hasta que no transcurre un largo periodo.
TIPOS DE CAMBIOS EN LA MATERIA
Según el tiempo que tarden en producirse los cambios, estos pueden ser:
• rápidos: como la descomposición del cuerpo de un animal o la de cualquier otro
ser vivo (descomposición de la materia orgánica);
• lentos: como la erosión que sufre una roca por la acción del agua o del viento.
Además, los cambios en la materia pueden ser de estos dos tipos:
• físicos, si tras el cambio la materia sigue siendo la misma; por ejemplo, tras un
cambio de estado: el agua se congela transformándose en hielo o se evapora
transformándose en vapor de agua, pero el agua líquida, el hielo y el vapor están
constituidos por la misma materia;
• químicos, si se transforma en otra materia diferente; por ejemplo, una
combustión: la madera al arder se convierte en dióxido de carbono (y otros
gases) y cenizas, que son sustancias diferentes a la inicial; se ha producido una
reacción química. Una reacción química es el proceso por el que al poner en
contacto dos o más sustancias, se transforman en otras sustancias diferentes a las
iniciales..
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17. CAMBIOS FÍSICOS
Algunos de ellos son:
Los cambios de estado, que son los pasos de sólido a líquido y a gas, o
viceversa.
La dilatación, que es el aumento de volumen que se produce en un cuerpo a
consecuencia del aumento de su temperatura.
El movimiento, o cambio de la posición que ocupa un cuerpo en el espacio.
La fragmentación, que es la división de un cuerpo en trozos más pequeños
que conservan su misma naturaleza, como cuando partimos una barra de pan
en trozos.
La mezcla de varias sustancias sólidas, líquidas o gaseosas, sin que ninguna
de ellas pierda o cambie sus propiedades. Las mezclas son un cambio físico
bastante frecuente, que vamos a estudiar más detenidamente.
Clases de mezclas y métodos de separación.
Hay dos tipos de mezclas:
• homogéneas: si no podemos distinguir a simple vista sus componentes; por
ejemplo, el aire que respiramos es una mezcla de gases: oxígeno, nitrógeno y, en
menor proporción, dióxido de carbono, vapor de agua y otros; el agua de mar es
una mezcla de agua y diferentes sales;
• heterogéneas: si podemos distinguir sus componentes; por ejemplo, un vaso con
agua y aceite: ambos se distinguen perfectamente; o una piedra de granito, en la
que se aprecian sus tres componentes, cuarzo, feldespato y mica, al tener cada
uno diferente color.
Hay seis métodos físicos principales para separar los componentes de una
mezcla, eligiéndose uno u otro según que la mezcla sea sólida o líquida, y
según las características de sus componentes:
• Por tamización: si la mezcla está formada por granos de diferentes tamaños,
haciéndola pasar por un tamiz, la separaremos en sus componentes. Los
buscadores de oro usaban esta técnica para buscar las pepitas del mineral.
• Por filtración: separamos un sólido del líquido en el que está suspendido,
vertiendo la mezcla en un embudo con un filtro poroso por el que el líquido
puede penetrar fácilmente. Así podemos separar arena y agua.
• Por decantación: separamos dos líquidos de diferentes densidades, vertiendo la
mezcla en un embudo de decantación; cuando ha reposado y se han formado dos
capas, abrimos la llave inferior del embudo y dejamos caer el más denso,
quedando el menos denso en el embudo. Así separamos una mezcla de aceite y
agua, por ejemplo.
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18. • Por separación magnética: si una de las sustancias de la mezcla tiene
propiedades magnéticas, como el hierro, la podemos separar con un imán.
• Por evaporación: si en una mezcla líquida conseguimos que uno de los
componentes se evapore, quedando el otro.
• Por cristalización y precipitación: algunas mezclas líquidas, como la del
sulfato de cobre en agua, tras calentarlas y filtrarlas, se dejan en un cristalizador
(recipiente bajo y ancho), de manera que al enfriarse, el agua se evapora y el
sulfato de cobre queda separado en forma de cristales.
CAMBIOS QUÍMICOS
Algunos de ellos son:
La oxidación, que es el cambio lento que sufren algunas sustancias en
contacto con el oxígeno; por ejemplo, cuando partimos una manzana por la
mitad y la dejamos en un plato, al cabo de uno o dos días vemos como la parte
sin piel se ha oscurecido; o cualquier objeto de hierro, como una verja o una
llave, que con el tiempo aparece recubierto de una capa de óxido de hierro.
La combustión, que es una oxidación con desprendimiento de calor.
La fermentación, que es la transformación que sufre el azúcar en alcohol y
agua, por ejemplo el zumo de las uvas se convierte en vino.
La putrefacción, que es la descomposición de cualquier ser vivo tras su
muerte.
LAS REACCIONES QUIMICAS
En la naturaleza tienen lugar dos tipos de transformaciones: las físicas, que son
aquellas en las que no cambia la naturaleza de las sustancias que intervienen,
y las químicas, en las que sí se produce un cambio en su naturaleza.
La Química es la ciencia que estudia la composición, estructura y propiedades
de las sustancias materiales, así como los cambios que en ellas se producen.
En las fábricas, en la atmósfera, en los automóviles, y en nuestro propio
cuerpo… se producen reacciones químicas continuamente…
¿QUÉ ES UNA REACCIÓN QUÍMICA?
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19. Una reacción química es el proceso en el que una o más sustancias
(llamadas reactivos) se transforman en otras sustancias diferentes (llamadas
productos de la reacción).
Un ejemplo de reacción química es la formación de óxido de hierro (que en el
lenguaje común se le llama herrumbre u orín), a partir del hierro y el oxígeno
del aire, reacción conocida como oxidación. En este ejemplo, los reactivos son
el oxígeno y el hierro, y el producto, el óxido de hierro.
En algunos casos, como en la combustión, las reacciones se producen de
forma rápida. En cambio otras reacciones, como la oxidación, tienen lugar con
lentitud.
El desgaste que la lluvia ácida causa en las fachadas de los edificios y en las
estatuas es muy lento, pero las reacciones que se producen en la explosión de
los fuegos artificiales son muy rápidas. La mayoría de las reacciones tienen
lugar a una velocidad intermedia entre la de la erosión de la piedra y la de los
fuegos artificiales, que es casi instantánea.
FACTORES QUE AFECTAN A LA VELOCIDAD DE UNA REACCIÓN
En química es muy importante conocer la velocidad a la que ocurren las
reacciones y por qué tienen lugar a esa velocidad, ya que en unos casos nos
conviene acelerarlas y en otros, ralentizarlas.
Las reacciones químicas que se producen en el cuerpo humano tendrían lugar
a velocidades muy lentas si no tuvieran la “ayuda” de unas sustancias llamadas
enzimas, que aceleran estas reacciones millones de veces. Sin las enzimas,
los humanos y otros organismos vivos no podrían sobrevivir.
Las velocidades de reacción se ven alteradas también por otros factores. Por
ejemplo, si se calientan las sustancias reaccionantes (o reactivos),
normalmente aumenta la velocidad de reacción; si se enfrían, la reacción se
ralentiza.
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20. Para reaccionar, las partículas de las sustancias reaccionantes deben chocar
entre sí. El calor les proporciona más energía para moverse y, por tanto,
aumenta la probabilidad de que colisionen. Además, cuanto más fuerte
colisionen, más fácil será que se produzca la reacción. El enfriamiento tiene
justo el efecto contrario.
Algunas reacciones son reversibles, es decir, pueden tener lugar en los dos
sentidos: los productos que se forman pueden, en determinadas condiciones,
reaccionar entre sí para dar de nuevo las sustancias iniciales. Al final, se llega
a un equilibrio entre los reactivos y los productos de la reacción.
REACCIONES EXOTÉRMICAS Y REACCIONES ENDOTÉRMICAS
En una reacción química se producen intercambios de energía, en forma de
calor. Se llaman exotérmicas a las reacciones que, cuando se producen,
desprenden calor. El ejemplo más claro de este tipo de reacciones es la
combustión de un trozo de madera o de carbón.
Se llaman endotérmicas a las reacciones que, para producirse, necesitan
que se les suministre calor a los reactivos.
EL AGUA
Sabías que el agua es la sustancia más abundante en la naturaleza? ¿Y que
unas tres cuartas partes de la Tierra están cubiertas por agua? Además es una
de las pocas sustancias que se presenta en la naturaleza en los tres estados
de la materia: sólido (en los casquetes polares y glaciares, por ejemplo), líquido
(en los ríos, océanos, lagos…) y gaseoso (niebla, nubes o vapor de agua de la
atmósfera).
CARACTERÍSTICAS DEL AGUA
El agua está compuesta por hidrógeno y oxígeno, y en estado puro no tiene
color, ni olor, ni sabor (a veces el agua que bebemos tiene un poco de sabor
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21. porque ha sido tratada con distintas sustancias para poderla beber sin riesgos
para nuestra salud).
El agua líquida puede disolver muchas sustancias, como las sales minerales
que necesitan las plantas y la mayoría de los organismos vivos; puede incluso
disolver gases: el oxígeno que respiran los peces está disuelto en el agua del
mar.
Debido a sus propiedades, utilizamos el agua como patrón para definir muchas
unidades físicas, por ejemplo, para definir la caloría (la unidad de calor), el
grado centígrado (la unidad de temperatura) o el gramo (la unidad de masa).
EL AGUA EN ESTADO SÓLIDO
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El hielo tiene una densidad de 0,92 g/cm o g/ml, más baja que la del agua en
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estado líquido, que como sabes, es igual a 1 g/cm . Esto hace que el hielo flote
sobre el agua, y como es un mal conductor del calor, protege al agua líquida de
las bajas temperaturas exteriores, impidiendo que se hiele por completo.
Si fuera más denso, se hundiría y depositaría en el fondo de lagos, ríos y
mares, hasta que se congelaran por completo: la mayoría de los seres vivos
que viven en el agua no podrían sobrevivir.
En los polos, hay unos inmensos casquetes de hielo, que flotan sobre el mar,
de los que en épocas de deshielo (en primavera y verano) se desprenden
grandes moles de hielo, llamadas icebergs, peligrosos para la navegación.
El hielo ocupa un volumen mayor que el agua líquida, para una misma cantidad
o masa de ambos. Esto hace, por ejemplo, que si queremos congelar agua en
un recipiente cerrado, no podamos llenarlo del todo, porque si lo hiciéramos, al
formarse el hielo el recipiente reventaría.
EL AGUA EN ESTADO LÍQUIDO
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22. El agua pasa del estado sólido al líquido (o del líquido al sólido) a la
temperatura de 0 grados centígrados. Precisamente para calibrar los
termómetros, se toma como valor cero (0 ºC) el punto de congelación del agua.
En estado líquido, el agua forma parte de los seres vivos, pura o mezclada con
sales y otras sustancias.
Las impurezas suspendidas y disueltas en el agua natural hacen que esta no
sea adecuada, por ejemplo, para beber. Los materiales indeseables, orgánicos
e inorgánicos, se extraen por métodos de criba y sedimentación que eliminan
los materiales suspendidos.
Otro método de depurar el agua es tratarla con ciertos compuestos, como el
carbón activado, que eliminan los sabores y olores desagradables. También se
puede purificar el agua por filtración, o por cloración o irradiación (que matan
los microorganismos infecciosos).
EL AGUA EN ESTADO GASEOSO
El agua líquida se transforma en gas a la temperatura de 100 grados
centígrados. El segundo valor que se toma para calibrar los termómetros, el
valor cien (100 ºC), se corresponde con el punto de ebullición del agua.
En estado gaseoso el agua está por todas partes, incluso en los desiertos. La
evaporación y la condensación son procesos que forman un ciclo continuo,
llamado ciclo del agua, que hace que esta se reparta por toda la biosfera
terrestre.
LA ENERGÍA SOLAR
El Sol que nos ilumina solo es una de las miles de estrellas que pueblan el
Universo, pero es la estrella que hace que sea posible la vida sobre la Tierra.
Nuestro planeta y otros astros, giran en torno a él, formando el Sistema Solar.
¿QUÉ ES EL SISTEMA SOLAR?
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23. El Sistema Solar lo forman, además del Sol, los astros que giran a su
alrededor, que son: nueve planetas y sus satélites, asteroides, cometas,
meteoroides, y polvo y gas interplanetario.
Por orden, a partir del Sol, los nueve planetas del Sistema Solar que se
conocen en la actualidad son: Mercurio, Venus, Tierra, Marte, Júpiter, Saturno,
Urano, Neptuno y Plutón. A los cuatro más próximos al Sol, Mercurio, Venus,
Tierra y Marte, se les llama planetas interiores. Son pequeños, compactos y
su superficie es rocosa.
A los cinco planetas restantes, Júpiter, Saturno, Urano, Neptuno y Plutón, se
les llama planetas exteriores. Salvo Plutón, son de mayor tamaño que los
interiores, y están formados en su mayor parte por gases.
LAS ÓRBITAS DE LOS PLANETAS EN TORNO AL SOL
Debido a la fuerza de atracción que el Sol ejerce sobre ellos, los planetas se
desplazan a través del espacio describiendo órbitas, con forma de elipse,
alrededor de él. Todos recorren sus órbitas en sentido contrario al de las agujas
del reloj, y tardan más tiempo en dar una vuelta completa cuanto más alejados
están del Sol.
Mientras que Mercurio tarda 88 días en completar una vuelta, la Tierra tarda
365 días (1 año), y así hasta Plutón, que tarda 248 años en recorrer su órbita.
Las órbitas se encuentran todas (salvo la de Plutón) en un mismo plano, como
si estuvieran extendidas sobre una mesa. Por eso, el Sistema Solar tiene forma
parecida a un enorme disco.
Además de girar alrededor del Sol (movimiento de revolución), los planetas
giran en torno a sí mismos (movimiento de rotación), y lo hacen también en
sentido contrario al de las agujas del reloj, salvo Venus, que gira al revés, en
sentido horario.
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24. Para medir las dimensiones del Sistema Solar se usa como unidad la distancia
media de la Tierra al Sol, llamada unidad astronómica, UA. Una UA
corresponde a unos 150 millones de kilómetros.
El Sistema Solar mide unas 80 UA de diámetro, que son unos 12.000 millones
de kilómetros.
LOS SATÉLITES
De los nueve planetas, solo Mercurio y Venus son los únicos que no tienen
satélites, es decir, cuerpos de menor tamaño girando a su alrededor. La
Tierra tiene solo uno, la Luna, y Marte dos, Fobos y Deimos; pero otros tienen
muchos más, como Júpiter del que ya se han descubierto más de 60 satélites.
LOS ASTEROIDES
Son pequeños cuerpos rocosos que giran alrededor del Sol, sobre todo entre
las órbitas de Marte y Júpiter, en una franja que se conoce como el cinturón
de asteroides. En 1991 la sonda espacial Galileo pasó cerca de uno de ellos
y transmitió imágenes de alta resolución de esta clase de cuerpos celestes.
Júpiter posee grupos de asteroides, llamados Troyanos, que giran a su
alrededor, atrapados por su fuerza de gravedad.
Se cree que un inmenso asteroide chocó contra la Tierra hace 65 millones de
años, produciendo grandes incendios cuyo humo tapó la luz del Sol, lo que
provocó la muerte de muchas plantas y de los dinosaurios que se alimentaban
de ellas.
LOS COMETAS
Son bolas de hielo y polvo, que parecen tener una larga cola. Es precisamente
la nube de polvo la que produce este efecto, cuando el cometa está próximo al
Sol. Sus trayectorias son mucho más abiertas que las de los planetas, por lo
que pasan poco tiempo cerca del Sol.
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25. LOS METEOROIDES
Son cuerpos sólidos que giran alrededor del Sol. Cuando la trayectoria de
algún meteoroide coincide con la de la Tierra y entra en nuestra atmósfera, el
meteoroide se quema, produciendo lo que conocemos como meteoro o
estrella fugaz. Algunos de ellos se desintegran en trozos más pequeños que
caen a la Tierra: se les llama meteoritos.
El tamaño de la mayoría de los meteoroides es el de un grano de polvo, pero
los hay mayores, sin ningún límite definido; los más grandes pueden tener una
masa de varios cientos de toneladas.
EL SOL
El Sol es la estrella que domina nuestro Sistema Solar; se encuentra a una
distancia media de 150 millones de kilómetros de la Tierra. Recibimos una
mínima parte de la energía que desprende, pero la vida sobre la Tierra es
posible gracias a su luz (las plantas no pueden vivir sin ella) y al calor que nos
transmite.
TAMAÑO DEL SOL
El Sol es una esfera que mide casi 1,4 millones de kilómetros de diámetro, que
es 109 veces mayor que el diámetro de la Tierra. Su volumen es mayor que el
de todos los planetas del Sistema Solar juntos y un millón de veces mayor que
el de la Tierra. Sin embargo, no es tan grande si lo comparamos con otras
estrellas del Universo.
ESTRUCTURA DEL SOL
Si lo recorremos de dentro afuera, podemos reconocer las siguientes capas en
su interior:
• El núcleo, que está a una temperatura de más de 15 millones de grados
centígrados y tiene un diámetro que es unas 27 veces mayor que el de la Tierra.
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26. • El interior, que se divide en: la zona de radiación, por donde circula el calor
producido en el núcleo en forma de ondas, y la zona de convección en donde la
energía es transportada por la mezcla turbulenta de gases.
• La superficie, llamada fotosfera, de unos 500 kilómetros de espesor, formada
por gases que se encuentran a unos 5.500 ºC y que se agitan violentamente,
dándole un aspecto burbujeante que se llama granulación solar.
• La corona es un tenue anillo blanquecino que no se puede ver salvo en un
eclipse total, cuando la Luna se interpone entre la Tierra y el Sol. Ocupa un
espacio enorme, varias veces mayor que el radio del Sol y es mucho más cálida
que la fotosfera, pues alcanza los 2 millones de grados centígrados.
¿DE QUÉ ESTÁ COMPUESTO EL SOL?
El Sol es una inmensa bola de gases incandescentes, sobre todo helio e
hidrógeno. En su interior la temperatura y la presión son tan grandes, que los
núcleos de las partículas (llamadas átomos) que componen el hidrógeno se ven
forzados a unirse entre sí, en un proceso que se llama fusión nuclear,
produciéndose núcleos de partículas (átomos) de helio, que es más pesado
que el hidrógeno. En esta fusión, se libera una enorme cantidad de energía, en
forma de luz y calor.
Se estima que, en cada segundo, el Sol procesa unos 600 millones de
toneladas de hidrógeno, produciendo unos 4 millones de toneladas de helio.
LAS MANCHAS SOLARES
En las puestas de Sol, a veces se observan manchas en su superficie. Son
zonas que están un poco más frías y son menos brillantes que el resto de la
fotosfera.
Las manchas solares aparecen, desaparecen y cambian de tamaño. A veces
forman grupos que alcanzan un tamaño mayor que el de la Tierra, y que llegan
a durar hasta dos meses.
Las protuberancias solares son anillos de gases incandescentes que escapan
de la superficie del Sol a una velocidad enorme.
EL VIENTO SOLAR Y LAS AURORAS BOREALES
Además, en la superficie solar se desencadenan con frecuencia tormentas
magnéticas y explosiones, que producen erupciones de gases y lanzan ráfagas
de partículas al espacio.
Estas partículas que viajan por el espacio originan el viento solar (que se llama
así por comparación con el viento terrestre, que también son partículas en
movimiento, las del aire).
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27. Cuando alcanzan nuestra atmósfera, a veces se forman en el cielo sobre los
polos de la Tierra unas maravillosas franjas de colores, que conocemos como
auroras boreales en el hemisferio norte y auroras australes en el hemisferio del
sur.
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