1. Organización y evolución del universo

TEORIAS SOBRE EL ORIGEN DEL UNIVERSO

1. Teoría del Big Bang

Esta teoría supone que hace entre unos 14.000 y 15.000 millones de años, toda la materia del Universo estaba concentrada en una zona extraordinariamente pequeña, hasta que explotó en un violento evento a partir del cual comenzó a expandirse.

Toda esa materia, comprimida y contenida en un único lugar, fue impulsada tras la explosión, comenzó a expandirse y a acumularse en diferentes partes. En esa expansión, la materia

se fue agrupando y acumulando para dar lugar a las primeras estrellas y galaxias, formando así lo que conocemos como el Universo. Los fundamentos matemáticos de esta teoría, incluyen la teoría general de la relatividad de Albert Einstein junto a la teoría estándar de partículas fundamentales.

2. Teoría Inflacionaria

La teoría de inflación cósmica o inflacionaria, formulada por el gran cosmólogo y físico teórico norteamericano Alan Guth, intenta explicar los primeros instantes del Universo basándose en estudios sobre campos gravitatorios fortísimos, como los que hay cerca de un agujero negro.

Esta teoría supone que una fuerza única se dividió en las cuatro que ahora conocemos (fuerza gravitatoria, electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil), provocando el origen del universo. El empuje inicial duró un

tiempo prácticamente inapreciable, pero fue tan violenta que, a pesar de que la atracción de la gravedad frena las galaxias, el Universo todavía crece.

3. Teoría Del Estado Estacionario

La teoría del estado estacionario se opone a la tesis de un universo evolucionario. Los seguidores de esta teoría consideran que el universo es una entidad que no tiene principio ni fin: no tiene principio porque no comenzó con una gran explosión ni se colapsará en un futuro lejano, para volver a nacer. El impulsor de esta idea fue el astrónomo inglés Edward Milne y según ella, los datos recabados por la observación de un objeto ubicado a millones de años luz, deben ser idénticos a los obtenidos en la observación de la Vía Láctea desde la misma distancia. Milne llamó a su tesis

principio cosmológico.

4. Teoría Del Universo Oscilante

La teoría del universo oscilante sostiene que nuestro Universo sería el último de muchos surgidos en el pasado, luego de sucesivas explosiones y contracciones.

El momento en que el universo se desploma sobre sí mismo atraído por su propia gravedad es conocido como Big Crunch, marcaría el fin de nuestro Universo y el nacimiento de otro nuevo.

Esta teoría fue planteada por el profesor Paul Steinhardt, profesor de física teórica en la Universidad de Princeton.

EDAD Y ESTRUCTURA DE LA TIERRA

EDAD DE LA TIERRA

Los geólogos y geofísicos modernos consideran que la edad de la Tierra es de unos 4470 millones de años ± 1%. Esta datación, basada en el decaimiento de hafnio 182 en tungsteno 182, fue determinada por el Dr. John Rudge del Departamento de Ciencias de la Tierra de la Universidad de Cambridge en el año 2010,1 2 y redujo la datación anterior de 4540 millones de años ±

1%3 en 70 millones de años. Esta edad había sido determinada mediante técnicas de fechado radiométrico de material proveniente

de meteoritos4 y es consistente con la edad de las muestras más antiguas de material de la Tierra y de la Luna.

Con el advenimiento de la revolución científica y el desarrollo de los métodos de fechado radiométricos, se realizaron mediciones de la presencia de plomo en muestras minerales ricas en uranio, que indicaron que algunas tenían una edad que superaba los 1000 millones de años.5 El más antiguo de estos minerales que ha sido analizado son unos pequeños cristales de zirconio de la zona de Jack Hills en Australia Occidental; los cuales por lo menos tienen una edad de 4404 millones de años.6 Comparando la masa y luminosidad del Sol con las de las otras estrellas, parecería que el sistema solar no podría ser más antiguo que dichas rocas. Las inclusiones ricas en calcio-aluminio (Ca-Al) –los compuestos de meteoritos más antiguos formados en el sistema solar– tienen una edad de 4567 millones de años,7 lo que resulta en la edad del sistema solar y en una cota superior para la edad de la Tierra.

ESTRUCTURA DE LA TIERRA

La corteza del planeta Tierra está formada por placas que flotan sobre el manto, una capa de materiales calientes y pastosos que, a veces, salen por una grieta formando volcanes.

La densidad y la presión aumentan hacia el centro de la Tierra. En el núcleo están los materiales más pesados, los metales. El

calor los mantiene en estado líquido, con fuertes movimientos. El núcleo interno es sólido.

Las fuerzas internas de la Tierra se notan en el exterior. Los movimientos rápidos originan terremotos. Los lentos forman plegamientos, como los que crearon las montañas.

El rápido movimiento rotatorio y el núcleo metálico generan un campo magnético que, junto a la atmosfera, nos protege de las radiaciones nocivas del Sol y de las otras estrellas.

Capas de la Tierra

Desde el exterior hacia el interior podemos dividir la Tierra en cinco partes:

Atmósfera: Es la cubierta gaseosa que rodea el cuerpo sólido del planeta. Tiene un grosor de más de 1.100 km, aunque la mitad de su masa se concentra en los 5,6 km más bajos.

Hidrosfera: Se compone principalmente de océanos, pero en sentido estricto comprende todas las superficies acuáticas del mundo, como mares interiores, lagos, ríos y aguas subterráneas. La profundidad media de los océanos es de 3.794 m, más de cinco veces la altura media de los continentes.

Litosfera: Compuesta sobre todo por la corteza terrestre, se extiende hasta los 100 km de profundidad. Las rocas de la litosfera tienen una densidad media de 2,7 veces la del agua y se componen casi por completo de 11 elementos, que juntos forman el 99,5% de su masa. El más abundante es el oxígeno, seguido por el silicio, aluminio, hierro, calcio, sodio, potasio, magnesio, titanio, hidrógeno y fósforo. Además, aparecen otros 11 elementos en cantidades menores del 0,1: carbono, manganeso, azufre, bario, cloro, cromo, flúor, circonio, níquel, estroncio y vanadio. Los elementos están presentes en la litosfera casi por completo en forma de compuestos más que en su estado libre.

La litosfera comprende dos capas, la corteza y el manto superior, que se dividen en unas doce placas tectónicas rígidas. El manto superior

está separado de la corteza por una discontinuidad sísmica, la discontinuidad de Mohorovicic, y del manto inferior por una zona débil conocida como astenosfera. Las rocas plásticas y parcialmente fundidas de la astenosfera, de 100 km de grosor, permiten a los continentes trasladarse por la superficie terrestre y a los océanos abrirse y cerrarse.

Manto: Se extiende desde la base de la corteza hasta una profundidad de unos 2.900 km. Excepto en la zona conocida como astenosfera, es sólido y su densidad, que aumenta con la profundidad, oscila de 3,3 a 6. El manto superior se compone de hierro y silicatos de magnesio como el olivino y el inferior de una mezcla de óxidos de magnesio, hierro y silicio.

Núcleo: Tiene una capa exterior de unos 2.225 km de grosor con una densidad relativa media de 10 Kg por metro cúbico. Esta capa es probablemente rígida, su superficie exterior tiene depresiones y picos. Por el contrario, el núcleo interior, cuyo radio es de unos 1.275 km, es sólido. Ambas capas del núcleo se componen de hierro con un pequeño porcentaje de níquel y de otros elementos. Las temperaturas del núcleo interior pueden llegar a los 6.650 °C y su densidad media es de 13. Su presión (medida en GigaPascal, GPa) es millones de veces la presión en la superficie.

El núcleo interno irradia continuamente un calor intenso hacia afuera, a través de las diversas capas concéntricas que forman la porción sólida del planeta. La fuente de este calor es la energía liberada por la desintegración del uranio y otros elementos radiactivos. Las corrientes de convección dentro del manto trasladan la mayor parte de la energía térmica de la Tierra hasta la superficie.

MATERIA Y ENERGIA

 1. ¿A qué se llama materia?

Se llama materia a todo aquello que tiene dimensiones, presenta inercia y origina gravitación. Veamos con más detalle estas propiedades básicas de la materia:

Dimensiones : ocupa un lugar en el espacio

Inercia : resistencia que opone la materia a modificar su estado de reposo o de movimiento.

Gravedad o gravitación : es la atracción que actúa siempre entre objetos materiales aunque estén separados por grandes distancias. La gravedad por

ejemplo es la responsable de que los objetos caigan al suelo y no se queden suspendidos flotando.

   

La masa como medida de la materia :La masa se relaciona con la cantidad de materia y su valor mide la inercia de un cuerpo, así como la acción gravitatoria que este ejerce. Por ejemplo un cuerpo de 10 kg tiene el doble de inercia que un cuerpo de 5 kg, es decir, para conseguir que los dos se muevan de la misma forma, será preciso ejercer el doble de fuerza sobre el primero que en el segundo.

Errores frecuentes en relación con el concepto de masa:

¿Los cuerpos más grandes tiene siempre más masa? No hay relación directa entre el tamaño y la masa, ya que la masa de un cuerpo puede estar mas o menos compactada y ocupar más o menos volumen. La relación entre la masa de un cuerpo y su volumen (tamaño) viene determinada por la densidad.

 2. Escalas de observación del mundo material

La escala de observación macroscópica es aquella que podemos percibir a través de nuestros ojos. La escala de observación microscópica es aquella que no podemos ver con nuestros ojos y  se basa en la observación directa y la observación indirecta. Veamos estos dos métodos de observación:

La observación directa requiere la utilización de instrumentos adecuados, como microscopios ópticos, electrónicos, etc.

La observación indirecta se basa en que a partir de hechos experimentales observables a escala macroscópica, se idean modelos y establecen leyes y teorías que describen el comportamiento de la materia a escala microscópica.

Ley de gravitación universal.

Diversidad de tamaños de la materia: los órdenes de magnitud

La observación de la materia nos permite reconocer tamaños muy variados que van desde el tamaño mas pequeño que es el del núcleo de un átomo (0,000 000 000 000 001 m) al tamaño mayor que es el del diámetro del universo (100 000 000 000 000 000 000

000 000 m).  Para simplificar la escritura y la lectura de estos números se emplea la notación científica, que consiste en escribirlos como potencias de diez.

El mundo material se organiza en ordenes de magnitud, así pues se pueden establecer comparaciones de la siguiente manera:

Un sistema material A es un orden de magnitud mayor que B, lo que significa que A es unas diez veces mayor que B.

Un sistema material A es dos órdenes de magnitud mayor que B, es decir, A es unas cien veces mayor que B.

Un cuerpo o sistema material es tantos órdenes de magnitud mayor que otro como indica el exponente de la potencia de diez que resultaría de dividir sus respectivos tamaños.

ENERGIA

    3. Transformaciones en el mundo material: La energía

Para que un cuerpo o sistema material sufra transformaciones, tiene que interaccionar con otro.

El calor transferido entre dos cuerpos o sistemas materiales a distinta temperatura es un agente físico capas de producir transformaciones en la materia.

Cambios de estados provocados por el agente físico calor.

Se realiza trabajo sobre un cuerpo cuando este se desplaza bajo la acción de la fuerza que actúa total o parcialmente en la dirección del movimiento.

El calor y el trabajo son los agentes físicos que producen transformaciones en la materia.

Para mover el bloque el individuo debe realizar un trabajo sobre él

Una transformación es cualquier cambio de las propiedades iniciales de un cuerpo o sistema material. Por ejemplo, una cambio de posición, aumento o disminución de la temperatura, deformación o cambio de forma, cambio de volumen, etc.

La energía es la capacidad que tienen los cuerpos o sistemas materiales de transferir calor o realizar un trabajo, de modo que, a medida que un cuerpo o un sistema transfiere calor o realiza un trabajo su energía disminuye.

El café pierde energía y la trasfiere al hielo, que gana energía. En conjunto la energía total sigue siendo la misma

    4. Las variaciones de energía en los sistemas materiales

    Las transformaciones que suceden en los sistemas materiales pueden describirse mediante los cambios que se producen en la energía de dichos sistemas.

Transformación de la  energía

Las diversas formas de energía que conocemos son las siguientes:

Energía potencial: es la que tienen los cuerpos cuando están en una posición distinta a la de equilibrio

Energía cinética: es la que tienen los cuerpos por el hecho de moverse a cierta velocidad.

Energía térmica: es la que tienen los cuerpos en función de su temperatura.

Energía química: es la que se desprende o absorbe en las reacciones químicas

En todas las transformaciones de energía se cumple el principio de conservación de la energía: La energía puede transformarse de unas formas en otras o transfiere de unos cuerpos a otros, pero, en conjunto, permanece constante.

La energía y sus formas:

Energía mecánica: Es la que poseen los cuerpos por el hecho de moverse a una determinada velocidad (cinética) o de encontrarse desplazados de su posición (potencial).

Energía térmica: Esta energía se debe al movimiento de los átomos o moléculas que componen un cuerpo. La temperatura es la medida de esta energía.

Energía eléctrica: Es la que produce por ejemplo una pila o una batería de un coche.

Energía electromagnética: Es la que transportan las llamadas ondas electromagnéticas, como la luz, las ondas de radio, y TV, las microondas, etc.

Energía interna: Bajo esta denominación se engloban todas las formas de energía existentes en el interior de un cuerpo.

Energía química: Es la energía que se desprende o absorbe de las reacciones químicas, como, por ejemplo, en una reacción de combustión.

Energía nuclear: Es la que se genera en los procesos de fisión nuclear (ruptura del núcleo atómico) o de fusión nuclear (unión de dos o más núcleos atómicos).

FORMAS DE ENERGÍA 

    5. Fuentes de energía aprovechable

    Fuentes de energía no renovables. Proceden de recursos existentes en la naturaleza de forma limitada. Los más importantes son:

La energía obtenida de la combustión de fósiles (Carbón, petróleo y gas natural)

Extracción petrolífera

La energía nuclear, que utiliza la energía liberada en las reacciones nucleares para la producción de energía eléctrica o térmica.

Esquema de una fábrica nuclear

    Fuentes de energía renovables. Proceden de recursos naturales inagotables.

Energía geotérmica: Aprovecha el calor interno de la Tierra y se emplea para generar electricidad o para calefacción.

Energía hidráulica: Aprovecha los saltos de agua de las presas de los pantanos para generar energía eléctrica.

Energía hidráullica

Energía solar: Se basa en el aprovechamiento de la energía que nos llega del Sol para transformarla en energía eléctrica o transferirla a circuitos de calefacción o agua caliente.

Energía Solar

Energía eólica: Aprovecha la fuerza de los vientos para hacer girar las aspas que mueven las turbinas de los generadores de energía eléctrica.

Energía eólica

Energía mareomotriz: Hace uso del movimiento de las masas de agua que se producen en las subidas y bajadas de las mareas.

Energía maremotriz

 

Energía de la biomasa: Consiste fundamentalmente en el aprovechamiento energético de los residuos naturales (forestales, agrícolas,...) o los derivados de la actividad humana (residuos industriales o urbanos).