CIENCIAS_NATURALES_BIO100P

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CIENCIAS NATURALES BIO100P
Conceptos de Materia y Enerǵıa
Héctor González Núñez
hegonzalez@uc.cl - Ingenieŕıa Eléctrica
3 de Marzo de 2017
1 Introducción
2 Grandes ideas de y acerca de la ciencia
3 Algunos conceptos previos...
4 Materia y Enerǵıa
Introducción
· Visión integradora del curso.
El presente curso se fundamenta en una visión integrada de las Ciencias a partir
de sus objetos de estudio: los fenómenos naturales. Los fenómenos naturales se
abordan a través de unidades que introducen de forma transversal los conocimientos
de la f́ısica, la qúımica y la bioloǵıa. A partir de esta aproximación, el curso busca
que el estudiantado piense, comunique e intervenga en torno a las nociones cient́ıficas
abordadas para dar sentido a fenómenos, sistemas, procesos y problemáticas de su
entorno cotidiano.
· Educación en ciencias basada en la indagación.
La identificación de las grandes ideas en la ciencias es un complemento natural de
la promoción de la educación en ciencias basada en la indagación.
· Conceptos clave: Materia y Enerǵıa.
A través de un estudio a diferentes escalas del Universo enfocado en la materia y la
enerǵıa, se abordarán las ideas transversales a la f́ısica, la qúımica y bioloǵıa en el
contexto de las diversas manifestaciones de la materia y la enerǵıa.
Grandes ideas de y acerca de la ciencia
¿Qué es una gran idea o idea clave?
Grandes ideas de y acerca de la ciencia
¿Por qué son relevantes para la enseñanza de las Ciencias?
Profesores que se enfocan en
grades ideas en sus clases:
Profesores que NO se enfocan
en grandes ideas en sus
clases:
Grandes ideas de y acerca de la ciencia
Catorce grandes ideas en la ciencia
· Bibliograf́ıa:
• HARLEN, Wynne (ed.). Principles and big ideas of science education.
Association for Science Education, 2010.
• HARLEN, Wynne. Working with big ideas of science education. Trieste:
The Science Education Programme (SEP) of IAP, 2015.
Grandes ideas de y acerca de la ciencia
· Ideas de la ciencia
1. Todo material en el Universo está compuesto de part́ıculas muy pequeñas.
2. Los objetos pueden afectar otros objetos a distancia.
3. El cambio de movimiento de un objeto requiere que una fuerza neta actúe sobre
él.
4. La cantidad de enerǵıa del universo siempre es la misma, pero la enerǵıa puede
transformarse cuando algo cambia o se hace ocurrir.
5. La composición de la Tierra y de la atmósfera y los fenómenos que ocurren en
ellas le dan forma a la superficie de la Tierra y afectan su clima.
6. El sistema solar es una muy pequeña parte de una de los millones de galaxias en
el Universo.
7. Los organismos están organizados en base a células.
8. Los organismos requieren de suministro de enerǵıa y de materiales de los cuales
con frecuencia dependen y por los que compiten con otros organismos.
9. La Información genética es transmitida de una generación de organismos a la
siguiente generación.
10. La diversidad de los organismos, vivientes y extintos, es el resultado de la evo-
lución.
Grandes ideas de y acerca de la ciencia
· Ideas acerca de la ciencia
11. La ciencia supone que para cada efecto hay una o más causas.
12. Las explicaciones, las teoŕıas y modelos cient́ıficos son aquellos que mejor dan
cuenta de los hechos conocidos en su momento.
13. El conocimiento generado por la ciencia es usado en algunas tecnoloǵıas para
crear productos que sirven a propósitos humanos.
14. Las aplicaciones de la ciencia tienen con frecuencia implicancias éticas, sociales,
económicas y poĺıticas.
Algunos conceptos previos...
¿Qué entendemos por F́ısica?
Ciencia que estudia las propiedades de la materia y de
la enerǵıa, y las relaciones entre ambas.
La f́ısica intenta entender cómo funciona el universo (todo nuestro entorno)
y permite predecir el comportamiento de la naturaleza en cierta situación a
partir de la experiencia obtenida en otras situaciones.
Pero... ¿Por dónde empezamos?
Algunos conceptos previos: Magnitudes y unidades
Algunos conceptos previos: Magnitudes y unidades
· Magnitud: propiedad o cualidad medible de un sistema f́ısico a la que
se le pueden asignar distintos valores como resultado de una medida.
Ejemplos: longitud, tiempo, masa, velocidad, fuerza...
Para asegurar la exactitud y reproducibilidad de los experimentos se nece-
sitan reglas que determinan cómo se miden y comparan estas magnitudes.
Para ello se definen unidades de medición.
· Unidad de medición: cantidad estandarizada de una magnitud.
Ejemplos: kilogramo, metro, grados Celsius, segundos...
Algunos conceptos previos: Magnitudes y unidades
Recurso web: https://www.youtube.com/watch?v=jfSNxVqprvM
¿Qué os sugiere el video que acabamos de ver?
· El valor de una magnitud en cierta unidad puede ser muy pequeño o muy
grande. Resulta útil introducir unidades más pequeñas o más grandes
relacionadas con la original en múltiplos de 10.
Algunos conceptos previos: Magnitudes y unidades
Ejemplos:
¿Cuántos cm son 1.6 km?
¿Cuántos gramos son 0.056 kg?
¿Cuántos segundos son 1.5 horas?
Algunos conceptos previos: Magnitudes y unidades
¿Tienen la misma velocidad dos objetos, uno que se aleja y otro que se acerca
a 6 km/h? ¿Por qué?
Las magnitudes f́ısicas se pueden clasificar como:
· Magnitud escalares: aquellas que se describen mediante un número
real. Ejemplos: masa, tiempo, presión, temperatura, enerǵıa...
· Magnitudes vectoriales: aquellas que se describen mediante una mag-
nitud (expresable por un número real), una dirección y un sentido. Ejem-
plos: fuerza, velocidad, aceleración...
Algunos conceptos previos: Interacciones fundamentales
· En la actualidad, en f́ısica, se habla de que existen sólo 4 fuerzas o
interacciones fundamentales. ¿Cuáles son?
Algunos conceptos previos: Interacciones fundamentales
· Casi toda la historia de la f́ısica moderna se ha centrado en intentar
unificar estas cuatro interacciones.
· Hasta ahora la interacción débil y la electromagnética se han podido
unificar en la interacción electrodébil.
· La unificación de la nuclear fuerte con la electrodébil es el motivo de
estudio de la llamada Teoŕıa de la Gran Unificación (TGU, o GUT por
Grand Unification Theory).
· Los estudios que unificaŕıan las 3 interacciones no gravitatorias con la
gravedad pretenden construir la llamada La Teoŕıa del Todo (Theory of
Everything (ToE), Final Theory, Ultimate Theory...).
Algunos conceptos previos: Interacciones fundamentales
¿Podŕıa ser prematuro el estar buscando la teoŕıa del todo cuando no existe
evidencia de su existencia? ¿Por qué este interés en unificar?
· Antes de de Newton, se pensaba que la fuerza que mantiene a los planetas
girando en torno al sol, las mareas y la fuerza que nos mantiene pegados
a la superficie de la Tierra eran fuerzas diferentes (gravitación universal).
· Hace no tanto tiempo la electricidad y los fénomenos magnéticos eran
considerados fenómenos separados, diferentes... Hoy en d́ıa el electro-
magnetismo ya estudia y unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos
en una sola teoŕıa.
Materia y Enerǵıa
Materia y Enerǵıa
Materia y Enerǵıa
· Diagrama del curso:
Materia y Enerǵıa
¿Qué es la materia?
Parece un concepto sencillo pero... ¿Sabŕıamos responder a las siguientes
preguntas?
· ¿Una roca es materia?
· ¿El aire es materia?
· ¿Un pensamiento es materia?
· ¿La luz es materia?
Materia y Enerǵıa
¿Qué es la materia?
· Todo lo que posee masa y ocupa un volumen es materia.
· Todos los cuerpos del Universo están compuestos de materia.
· La materia está formada de pequeñas part́ıculas.
· Estas part́ıculas interactúan y se unen formando cada vez cuerpos más
complejos.
· Ejemplos de part́ıculas: átomo, protón, electrón, quark...
Materia y Enerǵıa
· Niveles de organización de la materia:
Materia y Enerǵıa
Dato: El núcleo de un átomo tiene un tamaño 10000 veces menor que el
átomo. ¿Qué quiere decir esto?
Siel átomo fuera del tamaño de un campo de fútbol, el núcleo seŕıa como
una arveja colocada en el centro del campo, y los electrones se encontraŕıan
en las gradas girando alrededor del campo.
Entre el núcleo y la corteza, hay espacio vaćıo,
donde no hay absolutamente nada.
Materia y Enerǵıa
· Ciclo de la materia:
Materia y Enerǵıa
y la materia fluye por el universo...
Materia y Enerǵıa
Pero... ¿Dónde y cómo se forman los elementos?
Materia y Enerǵıa
Materia y Enerǵıa
¿En qué proporciones se encuentran en la corteza terrestre y en nuestro cuerpo?1
1por masa
Materia y Enerǵıa
Materia y Enerǵıa
¿Dónde se forman los elementos?
· El Big Bang produjo esencialmente H y He (los más livianos).
· O, C, N, Fe, Si, Ca, etc. (elementos livianos hasta el Ni) se forman dentro de
las estrellas.
· Los elementos más pesados, Au y Pb, se producen en la explosión cuando una
estrella muere.
Materia y Enerǵıa
Modelo particulado de la materia
· La materia está compuesta de part́ıculas indivisibles.
· Existe un número limitado de estas part́ıculas.
· La combinación de estas pocas part́ıculas da origen a todos los materiales
del universo.
· El estado de agregación de estas part́ıculas permite cambiar las propie-
dades de un material.
Materia y Enerǵıa
Estados de la materia
¿Por qué si metemos un trozo de chocolate en el horno comienza a
oler a chocolate en toda la pieza?
Materia y Enerǵıa
Estados de la materia
Clasifique en sólido (S), ĺıquido (L) y gaseoso (G) los siguientes
materiales:
1.- Agua
2.- Hielo
3.- Vapor de agua
4.- Roca
5.- Aceite
6.-Cristal
¿Resulta sencillo? Y si a continuación preguntamos...
7.- Arena
8.- Mayonesa
9.- Gelatina
10.-Cera
11.-El polvo
12.-Burbujas
Materia y Enerǵıa
Estados de la materia
¿Cómo podemos saber en qué estado
de la materia está un cuerpo?
¿Qué es un cuerpo?
Materia y Enerǵıa
Estados de la materia
En primer lugar quizás podemos empezar respondiendo a la pregunta
de por qué se habla de estados de la materia.
· Un material cambia de forma pero no de tipo de material.
· Cambian sus propiedades f́ısicas pero no qúımicas.
· Materia en el mismo estado tiene propiedades comunes.
· Los cambios entre estados son reversibles.
· Se habla de 4 estados de la materia: Sólido, Ĺıquido, Gaseoso y
Plasma.
Materia y Enerǵıa
Estados de la materia: Estado Sólido
· No cambian de forma.
· No cambian de volumen: son dif́ıciles de comprimir.comprimir
Materia y Enerǵıa
Estados de la materia: Estado Ĺıquido
· Cambian de forma naturalmente.
· No cambian de volumen: dif́ıciles de comprimir.
Materia y Enerǵıa
Estados de la materia: Estado Gaseoso
· No tienen forma.
· Cambian de volumen: fáciles de comprimir.
Materia y Enerǵıa
Estados de la materia: Estado Plasmático
· Altamente expansivos.
· Separación de los átomos en electrones y núcleos (ionización).
· Cargados eléctricamente.
Materia y Enerǵıa
Materia y Enerǵıa
¿Qué es la Enerǵıa?
¿Qué hace la cucaracha de juguete?
Materia y Enerǵıa
Enerǵıa
· Concepto clave y fundamental de la ciencia.
· Se define como la capacidad para realizar trabajo.
· De forma simplificada: capacidad para hacer que un cuerpo
se mueva o propiedad de un cuerpo en movimiento.
· Siempre se asocia a un cuerpo y se puede transferir de unos cuerpos
a otros.
· Sólo puede ser observada cuando se transfiere o transforma.
· En la tierra la mayoŕıa de la enerǵıa proviene del sol.
Materia y Enerǵıa
En principio, todas las formas energéticas son intercambiables...
Materia y Enerǵıa
Principio de conservación de la enerǵıa
· Todos conocemos o hemos ido hablar del principio de conservación de
enerǵıa expresado por la primera ley de la termodinámica formulado
como:
“La enerǵıa no se crea ni se destruye,
sólo se transforma”
Pero... ¿Estamos seguros de que lo entendemos?
Materia y Enerǵıa
Imaginemos una habitación con puertas y ventanas cerradas herméticamente
y con paredes aisladas. En el centro de la habitación se coloca un refrigerador
conectado a un enchufe y con la puerta abierta. ¿La temperatura promedio
del aire, aumentará, disminuirá o permanecerá constante?
Respuesta:
Cengel, Boles. Termodinámica (p. 52). Séptima ed. McGraw-Hill.
Materia y Enerǵıa
La enerǵıa fluye en un ecosistema...
¡Materia y enerǵıa fluyen desde el inicio del universo!
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	Algunos conceptos previos...
	Materia y Energía