Ciencia, materia, dimensiones

Elaborado por: M.Sc.Ing. Gerardo Ordoñez

 Ciencia

Se denomina ciencia a todo el

conocimiento o saber constituido
mediante la observación y el estudio
sistemático y razonado de la naturaleza,
la sociedad y el pensamiento.

El objetivo de la ciencia es descubrir las

leyes que rigen los fenómenos de la
realidad, comprenderlos y explicarlos. De
allí se deriva que la función de la ciencia
es describir, explicar y predecir tales
fenómenos a fin de mejorar la vida
humana.
 Química

La química es una ciencia que tiene por

finalidad no sólo descubrir, sino también,
y sobre todo, crear, ya que es el arte de
hacer compleja la materia. Para captar
la lógica de la reciente evolución de la
química, hay que retroceder en el
tiempo y dar un salto atrás de unos
cuatro mil millones de años.
 Química

La química desempeña un papel fundamental,

tanto por el puesto que ocupa en las ciencias
de la naturaleza y del conocimiento como por
su importancia económica y su
omnipresencia en nuestra vida diaria. A
fuerza de estar presente por doquier se suele
olvidar su existencia, e incluso corre el riesgo
de pasar completamente desapercibida. Es
una ciencia que no propende a ofrecerse en
espectáculo, pero sin ella muchas proezas
terapéuticas, hazañas espaciales y maravillas
de la técnica, que todos consideramos
espectaculares, no habrían visto la luz del día.
 Átomo y Molécula

La materia está compuesta por una

serie de elementos, entre ellos
los átomos y las moléculas. Estas
últimas se constituyen por la unión de
dos o más átomos mediante enlaces
químicos. Cualquier cosa que ocupa un
sitio o lugar en el espacio es materia y,
por tanto, tiene masa.
Los sistemas materiales lo constituyen
átomos y moléculas, estas últimas
formadas por átomos unidos entre sí
gracias a los enlaces químicos.
 Clasificación de la materia

Llamamos materia a todo aquello que

ocupa un lugar determinado en el
universo, posee una cantidad
determinada de energía y está sujeto a
interacciones y cambios en el tiempo,
que pueden ser medidas. Desde un
punto de vista químico, la materia es el
conjunto de los elementos
constituyentes de la realidad
perceptible, o sea, lo que constituye las
cosas a nuestro alrededor y a nosotros
mismos.
 Estados de la materia

Los estados de la materia se refieren a la

forma como se organizan las moléculas
constituyentes de la misma. También se
conocen como estados de la agregación de la
materia.

Existen cinco estados de la materia: sólido,

líquido, gas, plasma y condensado Bose-
Einstein. Un cambio de fase se establece
cuando un estado de la materia se transforma
en otro. Por ejemplo, cuando un sólido pasa a
líquido (fusión) o el líquido pasa a sólido
(solidificación).
 Solido

Un sólido tiene una forma y volumen

definido, ya que sus moléculas están
empacadas estrechamente, lo cual limita el
movimiento entre ellas.

Ejemplos de sólidos las vemos en las rocas,

la madera y los metales cuando están a
temperatura ambiente. El agua a
temperaturas por debajo de 0 ºC se
encuentra en estado sólido.
 Liquido

Un líquido tiene un volumen definido y

adquiere la forma del recipiente en el que
está contenido. Las moléculas de los
líquidos se agrupan de forma tal que pueden
moverse con mayor libertad, comparadas
con los sólidos.

Ejemplos de estado líquido a temperatura

ambiente son el agua, el mercurio, el aceite
y el alcohol.
 Estado gaseoso

En los gases, las moléculas o átomos se

encuentran dispersos en el espacio que los
limita. No tienen volumen ni forma definida,
es decir, adquieren la forma y el volumen
del recipiente donde están contenidos.
 Plasma

El plasma se produce cuando un gas recibe

una gran cantidad de energía, lo que provoca
la liberación de sus electrones. Como los
gases, el plasma no tiene ni forma ni
volumen definido.

Ejemplos de plasma los conseguimos en las

estrellas, los rayos, las luces fluorescentes y
las señales de neón.
 Condensado Bose-Einstein

Un estado condensado Bose-Einstein se

logra cuando un grupo de átomos se enfría
hasta casi el cero absoluto (-273 ºC). En
este punto, los átomos prácticamente no
se mueven entre sí, comportándose como
si fueran un solo átomo.

Ejemplos de estado condensado de Bose-

Einstein apenas se consiguieron de forma
experimental en los años 90 del siglo XX.
Muchos de estos experimentos usan
átomos de rubidio enfriados con láser.
 Sustancias puras

Las sustancias puras son aquellas que tienen

una composición química fija y definida, o
sea, que no varía sin importar las
condiciones físicas en que dicha sustancia se
encuentre. Dicho de otro modo, las
sustancias puras permanecen químicamente
inalteradas (no cambia su estructura
química) en sus distintos estado de
agregación.
 Elementos

Un elemento es una pieza, fundamento, móvil

o parte integrante de un cosa. Un elemento es
un principio físico o químico de los cuerpos.

En Química, un elemento es una sustancia

formada por átomos que tienen el mismo
número de protones nucleares.

Elemento también se refiere al medio

ambiente en el que habita y se desarrolla un
ser vivo.
 Mezclas

Una mezcla es la combinación o unión de

dos o más elementos o componentes que
pueden encontrarse en cualquier estado de la
materia.

Según la naturaleza de los elementos, la

mezcla puede ser musical, social, física,
química o de otras sustancias.
 Propiedades de la materia

Las propiedades generales de la materia son:

Extensión. Espacio o volumen que ocupa un determinado
cuerpo.
Masa. Cantidad de materia que contiene un cuerpo.
Inercia. Capacidad de conservar su estado de reposo o
movimiento sin intervención de una fuerza.
Porosidad. Espacio que existe entre las partículas de un
cuerpo.
Divisibilidad. Capacidad de subdivisión en partes más
pequeñas de la materia.
Peso. Fuerza que ejerce la gravedad sobre un cuerpo
material.
 Propiedades de la materia

Las propiedades específicas de la materia se

clasifican en:
Propiedades físicas (definen la forma y el estado
en que se puede medir de la materia):
Densidad. Cantidad de masa por unidad de
volumen. Cada material tiene su propia densidad.
Punto de fusión. Temperatura a la que la sustancia
cambia de estado sólido a líquido (es una
propiedad intensiva de la materia sólida).
Conductividad eléctrica. Capacidad de un material
para conducir la corriente eléctrica a través de su
estructura. Existen materiales que son buenos
conductores de la electricidad (como los metales) y
materiales aislantes (como el vidrio, el plástico y la
madera).
 Propiedades de la materia

Conductividad térmica. Grado o medida en que un

material puede conducir calor. La temperatura, los
cambios de fase del material y la conductividad
eléctrica influyen en la conductividad térmica. Muchos
metales tienen buena conductividad térmica, mientras
que los polímeros no tienen buena conductividad
térmica y los materiales como el corcho, son aislantes
térmicos.
Punto de ebullición. Temperatura a la cual la presión de
vapor de un líquido se iguala a la presión que rodea al
líquido haciendo que el líquido se transforme en gas.
Cuando la temperatura de un líquido supera su punto
de ebullición, aumenta mucho la energía cinética de
sus partículas (que es la energía que tienen como
resultado de su movimiento). Las partículas romperán
la tensión superficial del líquido debido a este aumento
de movimiento y pasarán a la fase vapor.
 Propiedades químicas

Propiedades químicas (definen la reactividad de la materia,

es decir, cuando una materia se convierte en otra nueva
mediante una reacción química):
Reactividad. Capacidad de una sustancia para reaccionar
en presencia de otra sustancia.
Combustibilidad. Capacidad de una sustancia para
combustionar. La combustión es una reacción de oxidación
que ocurre rápidamente, y si se descontrola, puede
provocar explosiones. Los combustibles, como por ejemplo
la gasolina, son sustancias que tienen alta combustibilidad.
Acidez. Característica que tiene una sustancia de
comportarse como un ácido. El pH de los ácidos disueltos
en agua es menor que 7, mientras que el agua pura tiene
pH=7.
Alcalinidad. Capacidad que tiene una sustancia para
contrarrestar el efecto de un ácido, es decir, para
neutralizarlo.
 Cambios físicos y químicos

Cambios químicos: Son aquellos en los que

unas sustancias se transforman en otras
sustancias diferentes, con naturaleza y
propiedades distintas.
Por ejemplo se producen cambios químicos
cuando una sustancia arde, se oxida o se
descompone.
Cambios físicos: Son todos aquellos en los
que ninguna sustancia se transforma en
otra diferente.
Por ejemplo se producen cambios físicos
cuando una sustancia se mueve, se le
aplica una fuerza o se deforma.
 Separación de mezclas

Los componentes de una mezcla se

separan teniendo en cuenta varias de
sus propiedades físicas, tales como el
estado de agregación, la solubilidad en
agua o en otro disolvente y la
temperatura de ebullición.

Para la separación de los componentes

de las mezclas se llevan a cabo una o
más operaciones, tanto en el laboratorio
como en la industria y el hogar.
 Mediciones

La medición es el proceso a través del cual

se compara la medida de un objeto o
elemento con la medida de otro. Para esto,
se deben asignar distintos valores numéricos
o dimensiones utilizando diferentes
herramientas y procedimientos.
 Patrones de medida

La existencia de diversos patrones de

medida para una misma magnitud, ha
creado dificultades en las relaciones
internacionales de comercio, en el
intercambio de resultados de
investigaciones científicas, etc. La
selección y adopción de los patrones para
medir las magnitudes físicas es el
resultado de una convención, y su
definición es hasta cierto punto arbitraria,
pero está condicionada
a que cumpla los siguientes requisitos: que
sean reproducibles y que sean invariantes
 Mensurando

Magnitud particular sujeta a

medición. Ejemplo: longitud (m), masa
(kg).
 Sistema Internacional

Actualmente se reconoce al Sistema Internacional (SI) de

Unidades como un sistema universal y su aplicación se está
extendiendo gradualmente a todo los
países y campos de la ciencia y la ingeniería. En el SI se
reconocen siete unidades básicas:
Unidad de tiempo El segundo (s) es la duración de 9 192 631 770
periodos de la radiación correspondiente a la transición entre los
dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio
133.
Unidad de longitud El metro (m) es la longitud del trayecto
recorrido en el vacío por la luz durante un tiempo de 1/299 792
458 de segundo. Unidad de masa El kilogramo (kg) es igual a la
masa del prototipo internacional del kilogramo
Unidad de intensidad de corriente eléctrica El ampere (A) es la
intensidad de una corriente constante que manteniéndose en dos
conductores paralelos,
rectilíneos, de longitud infinita, de sección circular despreciable y
situados a una distancia de un metro uno de otro en el vacío,
produce una fuerza igual a 2 x 10-7 newton por metro de longitud.
 Sistema Internacional

Unidad de temperatura termodinámica

El kelvin (K), unidad de temperatura
termodinámica, es la
fracción 1/273.16 de la temperatura
termodinámica del punto triple del agua.
Observación: Además de la temperatura
termodinámica
(símbolo T) expresada en kelvins, se utiliza
también la temperatura Celsius (símbolo t)
definida por la ecuación t =
– T0 donde T0 = 273.15 K por definición
 Sistema Internacional

Unidad de cantidad de sustancia

El mol (mol) es la cantidad de sustancia de un sistema
que
contiene tantas entidades elementales como átomos hay
en 0,012 kilogramos de carbono 12.
Cuando se emplee el mol, deben especificarse las
unidades elementales, que pueden ser átomos,
moléculas, iones, electrones u otras partículas o grupos
especificados de tales partículas.
Unidad de intensidad luminosa La candela (cd) es la
unidad luminosa, en una dirección dada, de una fuente
que emite una radiación onocromática de frecuencia 540
x 1012 hertz y cuya intensidad energética en dicha
dirección es 1/683 watt por estereorradián.
En 1960 se instauró el sistema internacional de unidades
por la 11ª Conferencia General de Pesas y Medidas.
 Longitud, masa, tiempo, temperatura

Unidades de medida de longitud

La unidad principal para medir longitudes es el metro
Está dividido en decímetros (dm), centímetros ( cm),
milímetros (mm). Son sus submúltiplos
El kilómetro (km), hectómetro (hm) y el decámetro (dam),
son unidades más grandes por lo tanto son sus múltiplos
kilómetro km 1000 m
hectómetro hm 100 m
decámetro dam 10 m
metro m 1m
decímetrodm 0.1 m
centímetro cm 0.01 m
milímetromm 0.001 m
 Longitud, masa, tiempo, temperatura

Desde 1987 se considera como unidad de

masa, el kilogramo, que se define como la
masa de una aleación de platino e iridio que
se conserva en el Laboratorio Internacional
de Pesas y Medidas en Sevres, cerca de
París, Francia.
En 1967 se definió el segundo como unidad
de tiempo igual a 9.192.631.770 periodos
de la radiación de átomos de cesio 133.
Con un reloj atómico de cesio, se puede
medir la frecuencia de su radiación con una
precisión de una parte en 1012, lo que
equivale a una incertidumbre menor que un
segundo cada 30.000 años.
 Longitud, masa, tiempo, temperatura

La temperatura está relacionada con la

sensación que experimentamos al tocar
ciertos objetos. Esta sensación nos permite
clasificarlos en objetos fríos, por ejemplo un
cubito de hielo, y objetos calientes, por
ejemplo una taza de café hirviendo. En este
capítulo vamos a profundizar en qué se
entiende en Física por temperatura.
 Longitud, masa, tiempo, temperatura

La temperatura es una magnitud escalar que mide la cantidad de

energía térmica que tiene un cuerpo. En el caso de los gases su
valor es proporcional a la energía cinética media de las moléculas,
según la expresión:

T=k⋅<Ec>
Donde:

Temperatura T: Su unidad de medida en el Sistema Internacional

es el Kelvín ( K )
Constante universal k: Se trata de una constante igual para todos
los gases. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el
Kelvín partido Julio ( K/J )
Energía cinética promedio de las moléculas del gas <Ec>: Se trata
del valor medio de energía cinética de las moléculas del gas. Su
unidad de medida en el Sistema Internacional es el Julio ( J )
 Incertidumbre de medición

Es el parámetro no negativo asociado al

resultado de medición que caracteriza
(=cuantifica) la dispersión de los valores que
razonablemente (=utilizando todo lo mejor
que tenemos ) se puede atribuir al
mensurando , a partir de la información que
se utiliza.
 Fuentes de incertidumbre

Todas las mediciones tienen asociada una

incertidumbre que puede deberse a los
siguientes factores:
• la naturaleza de la magnitud que se mide,
• el instrumento de medición,
• el observador,
• las condiciones externas.
Cada uno de estos factores constituye por
separado una fuente de incertidumbre y
contribuye en mayor o menor grado a la
incertidumbre total de la medida. La tarea de
detectar y evaluar las incertidumbres no es simple
e implica conocer diversos aspectos de la
medición.
Fuentes de incertidumbre

En principio, es posible clasificar las fuentes de

incertidumbres en dos conjuntos
bien diferenciados, las que se deben a :
• Errores accidentales o aleatorios que aparecen
cuando mediciones repetidas de la misma
variable dan valores diferentes, con igual
probabilidad de estar por arriba o por debajo del
valor real. Cuando la dispersión de las medidas
es pequeña se dice que la medida es precisa.
• Errores sistemáticos que son una desviación
constante de todas las medidas ya sea siempre
hacia arriba o siempre hacia abajo del valor real
y son producidos, por ejemplo, por la falta de
calibración del instrumento de medición.
 Cifras significativas

Las cifras significativas de un número son aquellas que

tienen un significado real y, por tanto, aportan alguna
información. Toda medición experimental es inexacta y
se debe expresar con sus cifras significativas. Veamos un
ejemplo sencillo: supongamos que medimos la longitud
de una mesa con una regla graduada en milímetros. El
resultado se puede expresar, por ejemplo como:
Longitud (L) = 85,2 cm
No es esta la única manera de expresar el resultado, pues
también puede ser:
L = 0,852 m
L = 8,52 dm
L = 852 mm
etc…
 Cifras significativas

Se exprese como se exprese el resultado tiene tres

cifras significativas, que son los dígitos
considerados como ciertos en la medida. Cumplen
con la definición pues tienen un significado real y
aportan información. Así, un resultado como
L = 0,8520 m
no tiene sentido ya que el instrumento que hemos
utilizado para medir no es capaz de resolver las
diezmilésimas de metro.
Por tanto, y siguiendo con el ejemplo, el número
que expresa la cantidad en la medida tiene tres
cifras significativas. Pero, de esas tres cifras
sabemos que dos son verdaderas y una es
incierta, la que aparece subrayada a continuación:
L = 0,852 m
 Análisis dimensional

El análisis dimensional es una rama auxiliar

de la física que estudia la forma como se
relacionan las magnitudes derivadas con las
fundamentales. Tal estudio se hace
básicamente para descubrir valores
numéricos, a los que los llamaremos
"Dimensiones", los cuales aparecen como
exponentes de los símbolos de las
magnitudes fundamentales. Se utiliza
también para encontrar ecuaciones empíricas
para un análisis aproximado de un fenómeno
físico.