UNIDAD #1

PRINCIPIOS DE LA BIOFÍSICA

La importancia de la Biofísica en un campo interdisciplinario que aplica técnicas de las ciencias físicas para entender la estructura biológica y función a nivel molecular. El tamaño de estas moléculas varía notablemente, desde pequeños ácidos grasos y azucares hasta enormes moléculas de DNA. Consecuentemente la mayor parte del esfuerzo de la biofísica se dirige a determinar la estructura de moléculas biológicas específicas y en la manera de ensamblaje. (Alvarado, 2017)

    RAMAS DE LA BIOFÍSICA

Biomecánica: Estudia la mecánica del movimiento en los seres vivientes; por ejemplo, la locomoción, el vuelo, la natación, el equilibrio anatómico, la mecánica de los fluidos corporales, la fabricación de prótesis móviles, etc. (Bravo, 2015)

Bioelectricidad: Estudia los procesos electromagnéticos y electroquímicos que ocurren en los organismos vivientes, así como también los efectos de los procesos electromagnéticos abióticos sobre los seres vivientes.

Bioenergética (termodinámica biológica): Se dedica al estudio de las transformaciones de la energía que ocurren en los sistemas vivientes.

Bioacústica: Investiga y aplica la transmisión, captación y emisión de ondas sonoras por los biosistemas.

Biofotónica: Estudia las interacciones de los biosistemas con los fotones; por ejemplo, la visión, la fotosíntesis, etc.

Radiobiología: Estudia los efectos biológicos de la radiación ionizante y la no ionizante y sus aplicaciones en las técnicas biológicas de campo y de laboratorio. (Campos, 2015)

LA FORMACIÓN DEL UNIVERSO Y ORIGEN DE LA VIDA

EL UNIVERSO

El universo o cosmos es el conjunto de toda la materia y energía existente y el espacio en el que se encuentran. La parte que podemos observar o deducir de él se denomina universo observable. La Cosmología es la ciencia que estudia el universo. El nacimiento de la cosmología moderna puede situarse hacia el año 1700 con la propuesta de que la Vía Láctea es un sistema de estrellas, una de las cuales es el Sol, y de que existen otros sistemas similares. (Bravo, 2015)

COMPOSICIÓN DEL UNIVERSO

Se considera que el universo está constituido por un 7 % de energía oscura, un 23 % de materia oscura y un % de átomos que componen la materia observable.

La materia oscura no puede observarse debido a que no emite ni refleja suficiente radiación electromagnética y su composición se desconoce. Su existencia se ha deducido al saber que la masa de las galaxias era mucho mayor que la suma de la masa de todas sus estrellas. Se piensa que solo podemos observar de modo La velocidad de la luz La velocidad de la luz es muy alta. Si se consideran dos ciudades que equidisten unos 500 km, como Madrid y Barcelona, en un segundo la luz podría ir y volver, de una ciudad a otra, 300 veces. Composición del Universo 4 % Átomos 22 % Materia negra 74 % Energía negra El origen del universo y de la vida 1 7 Nebulosa. Vía Láctea. Galaxia. Directo el % de la materia de una galaxia, ya que el 90 % restante es materia oscura. (Beverly Arteaga & Bonilla, 2015)

 Los átomos que constituyen la materia observable son, básicamente, los átomos de hidrógeno (75 %) y los átomos de helio (25 %). El resto de los átomos (hierro, carbono, nitrógeno, cobre, oxígeno, etc.) se encuentra en un porcentaje mínimo más ligeros, la atmósfera. (Chalen, 2015)

LA TEORÍA DE LA RELATIVIDAD COMO INICIO DE LA COSMOLOGÍA MODERNA

 La teoría de la relatividad se debe a Albert Einstein (1879-1955). Este científico se planteó averiguar por qué el universo se mantiene en equilibrio, pese al tiempo transcurrido, en vez de haberse producido la compactación de los astros debido a la fuerza de la gravedad. En el universo no se puede distinguir si un cuerpo está en reposo absoluto o moviéndose con una velocidad constante. Tampoco se puede distinguir entre un cuerpo en movimiento acelerado y otro que esté sometido a un campo gravitatorio. Esto significa que en el universo es lo mismo que una peonza gire o que sea el universo el que gire a su alrededor y la peonza esté quieta. Las principales consecuencias de esta teoría son:

    LA TEORÍA DE LA GRAN EXPLOSIÓN (BIG BANG)

Según esta teoría, el universo se originó a partir de una gran explosión que proyectó toda la energía y la materia existentes. La elaboración de esta teoría la inició Einstein en 1917. Se partió de la hipótesis de que en el universo la distribución de la materia era uniforme (universo homogéneo e isótropo) y que no cambiaba de forma con el tiempo (universo en equilibrio). Para compensar el efecto de la gravedad, Einstein introdujo en su modelo una fuerza igual, pero de sentido contrario, a la que denominó constante cosmológica. En 1924, el matemático A. Friedmann demostró que este modelo de universo no era posible, ya que con el paso del tiempo debía hacerse más grande o más pequeño, por lo que la constante cosmológica era innecesaria. A. Einstein estuvo de acuerdo con esta corrección. (Bravo, 2015)

TEORÍA DEL ESTADO ESTACIONARIO O DE LA CREACIÓN CONTINUA

Esta teoría fue presentada entre 1948 y 1950 por los astrónomos H. Bondi, T. Gold y F. Hoyle. Según esta hipótesis, el universo es uniforme en todo el espacio y no varía en el tiempo. Aunque el universo se expande, su densidad se mantiene constante gracias a que continuamente se está creando nueva materia. (Castillo, 2017)

Las radiofuentes celestes: Son galaxias o nebulosas que emiten ondas de radio. Se descubrieron al estudiarse algunos problemas de radiocomunicación. Para detectarlas se utilizan radiotelescopios: antenas de radio, generalmente parabólicas, de decenas de metros de diámetro.

Los cuásares: En 1960 se descubrieron radiofuentes que correspondían a puntos muy pequeños. Posteriormente, en 1963, el astrónomo M. Schmidt comprobó que eran galaxias que se encontraban a una distancia de entre 2 000 y 4 000 millones de años luz y que se alejaban a una velocidad enorme (casi un tercio de la velocidad de la luz). (Bunge, 1992)

La proporción de átomos de hidrógeno y helio: La teoría del Big Bang afirma que, al producirse la gran explosión, la energía empezó a transformarse en materia. Al cabo de tres minutos aparecerían los átomos más sencillos (hidrógeno y helio). Según los cálculos realizados, a partir de ese momento, el universo debía de estar formado por un 75 % de hidrógeno y un 25 % de helio, aproximadamente. (Beverly Arteaga & Bonilla, 2015)

LA CIENCIA: MÉTODO CIENTÍFICO

La ciencia es un conjunto de conocimientos obtenidos mediante la observación y el razonamiento, y de los que se deducen principios y leyes generales.  (Bunge, 1992). El método científico como "camino a seguir mediante una serie de operaciones, reglas y procedimientos fijos de antemano de manera voluntaria y reflexiva, para alcanzar un determinado fin que puede ser material o conceptual" reúne las siguientes características:

1. Es fáctico en el sentido de que los hechos son su fuente de información y respuesta.
2. Trasciende los hechos
3. Se atiene a reglas metodológicas
4. Se vale de la verificación empírica
5. Es auto correctivo y progresivo
6. Sus formularios son de tipo general
7.  Es objetivo

Tiene cuatro pasos, y son los siguientes:

Las observaciones que el científico realiza sobre el fenómeno o sector de la realidad que va a estudiar; la mide y cuantifica, las cataloga y analiza.

La Experimentación, que consiste en violentar la naturaleza para que responda de alguna manera a las cuestiones que el investigador le plantea (manipulación y control de

Variables o condiciones).  El hecho de que en las escuelas existan laboratorios, significa que seguimos la línea marcada por el Método Galileano o método de Galileo.

 Luego, el científico formula o diseña una hipótesis premilitar que pueda explicar el fenómeno en cuestión, cuyas razones ignora. Pero no basta la hipótesis; el método científico exige un cuarto paso dirigido a comprobarla (criterios de confiabilidad y veracidad). (Campos, 2015)

Se trata ahora de Verificar (demostrar), de someter a una serie de pruebas empíricas e intelectuales la hipótesis preliminar formulada. Si ésta resiste las pruebas a la que es sometida, entonces se ha logrado un avance científico, pasando la hipótesis a convertirse en una tesis que en cualquier momento pueda ser una ley de bajo o alto nivel. (Beverly Arteaga & Bonilla, 2015)

Y es así como, el científico tiene que apoyarse, además, en una serie de instrumentos cognoscitivos.  Ya que necesita de la actividad propia de su mente, que es la abstracción e imaginación, igualmente necesarias son la inducción, la deducción y la analogía que son elementos del razonamiento o de la razón. (Ruiz, 2007).

ESTRUCTURA DE LA MATERIA

Está compuesta de átomos y cada uno va a poseer una determinada estructura. En el núcleo se encuentran los protones y neutrones:

• Los protones poseen carga eléctrica positiva.                 

• Los neutrones no tienen carga.

En la corteza se encuentran los electrones.

• Los electrones orbitan en torno al núcleo y poseen carga eléctrica negativa.

Los aspectos más importantes de la estructura atómica y molecular de la materia son los siguientes:

ELEMENTOS: Un elemento químico es toda sustancia pura, por lo que mantiene las mismas propiedades en toda la muestra y presenta una única composición, que no es posible descomponer en otras más simples por métodos químicos habituales.

En la actualidad se conocen más de 100 elementos (las distintas bibliografías no coinciden exactamente en el número), de los cuales 88 son naturales y el resto han sido producidos artificialmente.

ÁTOMOS: La materia está constituida por partículas indivisibles por métodos químicos convencionales, llamadas átomos. La evolución de la historia del átomo, desde la idea simplista del átomo de John Dalton, hasta nuestros días, queda reflejada en la siguiente tabla.

Descubrimiento de las partículas fundamentales
Año	Científico	Descubrimiento
1897	J.J. Thomson (1856-1940)	Demostró la existencia de los electrones dentro de los átomos. Dedujo que el átomo debía ser una esfera de materia cargada positivamente, en cuyo interior estaban incrustados los electrones. Modelo atómico de Thomson.
1911	E.Rutherford (1871-1937)	Demostró que los átomos no eran macizos, sino que estaban vacíos en su mayor parte. En su centro (núcleo) residían los protones, partículas con carga idéntica a los electrones, pero positivas. Pensó que los electrones, en número igual al de los protones, debían girar alrededor del núcleo en órbitas circulares. Modelo atómico de Rutherford.
1913	N. Bohr (1885-1962)	Propuso un nuevo modelo atómico en el que los electrones giraban alrededor del núcleo en unos niveles bien definidos, donde dichos niveles sólo podían albergar un número limitado de electrones. Modelo atómico de Bohr.
1932	J. Chadwick (1891-1974)	Descubrió una nueva partícula fundamental en los átomos, el neutrón, partícula sin carga eléctrica, con masa muy parecida a la de los protones y que se encontraban también en el núcleo.

Tabla 1: Descubrimiento de las partículas fundamentales (2011). Estados de la materia. Recuperado de: https://thales.cica.es/rd/Recursos/rd99/ed99-0504-01/estructura.html

MOLÉCULAS: La molécula puede definirse como la parte más pequeña de un compuesto (sustancia pura formada por combinación de dos o más elementos químicos) que mantiene sus propiedades químicas. Existen moléculas diatómicas (de dos átomos) como por ejemplo O2, CO. La primera de ellas se dice también que es homonuclear porque los dos átomos que la componen son idénticos, mientras que la segunda, el CO, se dice que es heteronuclear porque los dos átomos que la componen son distintos. Lógicamente, también existen moléculas con más de dos átomos y pueden ser ejemplos: CaCl2, CO2.

Las propiedades de los compuestos químicos son generalmente muy distintas a la de los elementos que lo componen. Así, por ejemplo, el Cl2 es un gas tóxico y el Na es un metal muy activo y, sin embargo, el cloruro de sodio (NaCl) o sal común, es un compuesto necesario en nuestro organismo. (Castillo, 2017)

FERMIONES: LAS PARTÍCULAS ELEMENTALES DE LA MATERIA

Con los datos y experimentos actuales, se han descrito dos grandes tipos de partículas elementales: fermiones y bosones.

Los fermiones son partículas con masa y se consideran las partículas elementales de la materia. Por su parte, los bosones son partículas sin masa que portan las fuerzas elementales: gravedad, fuerza electromagnética y las fuerzas nucleares fuerte y débil.

Los fermiones incluyen otros subtipos de partículas, los leptones y los quarks. Leptones y quarks interaccionan entre sí gracias a las fuerzas de interacción que transportan los bosones y forman las partículas subatómicas: electrones, neutrones y protones.

Los electrones se siguen considerando una partícula elemental en sí mismos, en concreto un tipo de leptón, pues no se ha conseguido dividir en partículas más pequeñas. Neutrones y protones están formados por combinación de tres quarks diferentes cada uno.

En definitiva, leptones y quarks son las partículas elementales de la materia más pequeñas conocidas.

El conocido como modelo estándar explica toda la materia ordinaria del Universo con estas partículas másicas o fermiones, más 5 tipos de bosones (4 bosones de gauge, que portan las 4 fuerzas elementales, y el bosón de Higgs, que explicaría como los fermiones adquieren masa).

Faltaría por descubrir el gravitón, la partícula hipotética que portaría la gravedad. De descubrirse, las partículas elementales conocidas sumarían un total de 18, incluyendo todos los fermiones y bosones.

Ilustración 4: Modelo estándar de partículas elementales de la materia bariónica y de la gravedad. En "Curiosoando" (2018), https://curiosoando.com/cuales-son-las-particulas-elementales-de-la-materia

LEPTONES

Los leptones se definen como fermiones o partículas con masa que no experimentan interacción nuclear fuerte. Existen seis tipos de leptones, tres con carga eléctrica -1 (electrón, muón y tau) y tres sin carga y de mucha menor masa (neutrinos).

• Electrón: es la única partícula que sigue considerándose fundamental desde que se descubrieron las partículas subatómicas. Tiene carga eléctrica -1 y spin 1/2.
• Muón: es similar al electrón, pero más pesado.
• Tau: es similar al electrón, pero aún más pesado. El muón y el tau son muy inestables; en la naturaleza aparecen durante muy poco tiempo.
• Electrón neutrino: partícula sin carga y muy poca masa, por lo que es muy difícil de detectar. Pero pueden transportar mucha energía que liberan cuando colisionan con otra partícula y así se pueden detectar de forma indirecta.
• Muón neutrino: partícula sin carga y poca masa, pero mucho más pesado que el electrón neutrino. Se producen en el decaimiento o desintegración de partículas atómicas, por ejemplo, en el decaimiento beta.
• Tau neutrino: sin carga y más pesado que el muón neutrino.

Electrón, muón y tau se denominan “sabores”, y los pares electrón/electrón neutrino, muón/muón neutrino y tau/tau neutrino se denominan dobletes débiles. Los leptones, por tanto, presentan 3 sabores y 3 dobletes de partículas.

Cada doblete de leptones está formado por un leptón con carga eléctrica, por ejemplo, el electrón, y un leptón del mismo sabor, pero sin carga y mucha menos masa, por ejemplo, el electrón neutrino

Además, como cada partícula tiene su antipartícula, cada leptón tiene su antileptón. Por ejemplo, la antipartícula del electrón es el positrón, y la antipartícula del electrón neutrino es el antineutrino electrónico.

QUARKS

Son otro grupo de fermiones que, a diferencia de los leptones, experimentan la fuerza nuclear fuerte. Una de las características más peculiares de los quarks es que su carga eléctrica tiene valores no enteros; la carga eléctrica de los quarks es de -1/3 o +2/3, según el tipo de quark.

Los quarks también son las únicas partículas que interaccionan con todos los tipos de interacciones fundamentales: electromagnética, interacción nuclear fuerte, interacción nuclear débil y gravedad.

Los quarks se presentan en seis sabores. 3 quarks tienen carga positiva de +2/3 (u, c y t), y 3 tienen carga negativa de -1/3 (d, s y b).

• u (up): carga eléctrica positiva de +2/3
• d (down): carga -1/3
• c (charm): carga +2/3, como el quark up pero con más masa.
• s (strange): carga -1/3, como el quark down más pesado.
• t (top): carga +2/3, como los quarks up y charm pero aún más pesado.
• b (bottom): cargo -1/3, como los quarks d y s pero aún más pesado.

Al igual que con los leptones, cada tipo de quark tiene su antiquark (antiup, antidown, etc).

Gracias a las interacciones nucleares fuertes, los quarks interaccionan entre sí fuertemente y forman los hadrones, las partículas elementales que forman la materia nuclear. Existen dos tipos de hadrones, los mesones y los bariones. (Bravo, 2015)

Los protones y neutrones de los núcleos atómicos son dos tipos de barionesformados por combinación de quarks up y down. Los demás quarks son inestables en la naturaleza y existen en condiciones muy concretas durante cortos períodos de tiempo.

• Neutrón: formado por la combinación de tres quarks: 2 quarks d (down) y 1 quark u (up). La suma de las dos cargas -1/3 de los quarks d, más la carga +2/3 del quark u, dan como resultado la carga eléctrica neutra típica del neutrón.
• Protón: formado por la combinación de tres quarks: 2 quark u más 1 quark d.

Se suele decir que los quarks son las partículas más pequeñas en las que se puede dividir la materia, pero en realidad no podemos conocer el tamaño de las partículas elementales, nuestra tecnología no nos lo permite, pero si podemos medir su masa, aunque en física de partículas la masa se suele entender en términos de energía, pues la materia está formada en última instancia por energía. (Castillo, 2017)

En este sentido, los quarks son más pesados que cualquier leptón. La energía de los quarks va desde 4.5 GeV del quark bottom a los 0.003 GeV del quark up, mientras que el electrón tiene una energía mucho menor: 0.000511 GeV (0.511 MeV).

Y el neutrino tiene todavía menos energía, 0.000000001 GeV, y aún menos masa, equivalente a una millonésima parte de la masa del electrón.

BOSONES: LAS PARTÍCULAS PORTADORAS DE FUERZA

Los bosones son partículas sin masa responsables de las conocidas como fuerzas de interacción fundamentales: fuerza electromagnética, fuerza de la gravedad, fuerza nuclear fuerte y fuerza nuclear débil. (Campos, 2015)

Existen cinco tipos de bosones confirmados y un sexto, el gravitón, aún por confirmar, que se agrupan en tres categorías:

• Bosones de gauge o bosones vectoriales: gluón (fuerza nuclear fuerte), fotón (fuerza electromagnética), bosón Z y bosón W (fuerza nuclear débil).
• Bosones escalares: bosón de Higgs (su interacción con los fermiones es la responsable de que los fermiones adquieran masa).
• Bosones tensores: Gravitón (hipotético, por confirmar)

EL ELECTRÓN

Un electrón es una partícula elemental estable cargada negativamente que constituye uno de los componentes fundamentales del átomo. Por este motivo también se la puede definir como una partícula subatómica. Forma parte del grupo de los leptones.

Los electrones pueden aparecer en estado libre (sin estar unidos a ningún átomo) o atados al núcleo de un átomo. Existen electrones en los átomos en capas esféricas de diversos radios. Estas capas esféricas representan los niveles de energía. Cuanto más grande sea el caparazón esférico, mayor será la energía contenida en el electrón. (Centro Informático Científico de Andalucía, 2012)

En los conductores eléctricos, los flujos de corriente son los electrones de los átomos que circulan de forma individual de un átomo a otro en la dirección del polo negativo al polo positivo del conductor eléctrico. En los materiales semiconductores, el corriente eléctrico también se produce mediante el movimiento de los electrones.

En algunos casos, lo más ilustrativo para visualizar el movimiento de la corriente eléctrica son las deficiencias de electrones de átomo a átomo. Un átomo deficiente en electrones en un semiconductor se llama agujero. Los agujeros, en general, se "mueven" entre los polos eléctricos de positivo a negativo. (Rojas, 2016)

EL PROTÓN

 El protón tiene carga +1 (o, alternativamente, 1,602 x 10-19 culombios), exactamente lo contrario de la carga -1 que contiene el electrón. En masa, sin embargo, no hay competencia - la masa del protón es aproximadamente 1,836 veces mayor que la de un electrón.

El protón se clasifica como barión, y está compuesto por tres quarks (uud). La antipartícula correspondiente, el antiprotón, tiene las mismas características que el protón, pero con carga eléctrica negativa.(Rojas, 2016)

EL NEUTRÓN

El neutrón es un componente del núcleo de los átomos y está formado por dos quarks down y un quark up. El quark up tiene carga eléctrica +2/3. Los quarks down tienen cada uno carga eléctrica -1/3. Por lo cual, los neutrones tienen carga eléctrica resultante 0. (0 Coulomb)

Cada neutrón consta de un racimo de estos tres quarks enlazados por gluones (partículas en las que reside la interacción nuclear fuerte).
Su masa es algo mayor que la del protón: 1,675x10-27 Kg. Actualmente se prefiere utilizar como unidad de masa el gigalectrónvoltio y se dice que la masa del protón es 0,0009383 GeV. La masa del neutrón es 0,0009396 GeV.

Fuera del núcleo atómico, el neutrón es inestable y tiene una vida media de unos 15 minutos. Al desintegrarse, emite un electrón y un antineutrino, después de lo cual queda convertido en un protón.

     Los neutrones forman, junto con los protones, los núcleos atómicos.

El neutrón interactúa con los protones a través de la fuerza nuclear fuerte, pero sin repulsión electromagnética, puesto que su carga eléctrica es cero.

El neutrón fue descubierto en la década de 1930, en Alemania, Francia e Inglaterra, gracias a los trabajos de Walther Bothe y H. Becker, Irène Joliot-Curie y Frédéric Joliot, James Chadwick. 

POSITRÓN O ELECTRÓN POSITIVO

Electrón con carga positiva. La interacción con el electrón puede resultar en la aniquilación de ambos, con lo que se produce un par de fotones cuya energía equivale a la masa del par electrón-positrón. Esta propiedad define al positrón como la antipartícula asociada al electrón.

Masa del Positrón: Es la antipartícula correspondiente al electrón, por lo que posee su misma masa y carga eléctrica (aunque de diferente signo, ya que es positiva). No forma parte de la materia ordinaria, sino de la antimateria, aunque se producen en numerosos procesos radio químicos como parte de transformaciones nucleares.

Características de los Positrones: El antielectrón es tan estable como el electrón, de hecho, es idéntico al electrón en todos sus aspectos, excepto en su carga eléctrica. Su existencia puede ser indefinida. Aunque el promedio de vida es de una millonésima de segundo, hasta que se encuentra con un electrón, durante un momento relampagueante quedaran asociados el electrón y el positrón; ambas partículas giraran en torno a un centro de fuerza común.

Pero la existencia de este sistema, como máximo, durará una diezmillonésima de segundo ya que se combinan el positrón y el electrón. Cuando se combinan las dos partículas opuestas, se produce una neutralización mutua y literalmente desaparecen, no dejan ni rastro de materia (aniquilamiento mutuo). Pero como se sabe la materia al igual que la energía no puede desaparecer, como resultado de esto queda la energía en forma de radiación gamma. De tal forma como había sugerido el genio Albert Einstein: la materia puede convertirse en energía, y viceversa. (Rojas, 2016)

NIVELES DE ORGANIZACIÓN DE LA MATERIA

La materia está organizada en niveles, desde el nivel subatómico hasta el mundo biológico    y social. Cada nivel tiene métodos de estudio propios.

Del átomo al cuerpo humano: El Cuerpo humano constituye un todo único que se compone de diferentes sistemas que mantienen el metabolismo celular y hacen posible la vida. Todos los sistemas que conoces, como el locomotor, digestivo, respiratorio, urogenital, endocrino y nervioso, están constituidos por órganos. Los órganos son agrupaciones de tejidos con una estructura particular, adaptada a la función que desempeñan. Los órganos responden a patrones estructurales que estudiaremos en su momento.

·         Subatómico: este nivel es el más simple de todo y está formado por electrones, protones y neutrones, que son las distintas partículas que configuran el átomo.

·         Átomo: es el siguiente nivel de organización. Es un átomo de oxígeno, de hierro, de cualquier elemento químico.

·         Moléculas: las moléculas consisten en la unión de diversos átomos diferentes para formar, por ejemplo, oxígeno en estado gaseoso (O2), dióxido de carbono, o simplemente carbohidratos, proteínas, lípidos...

·         Celular: las moléculas se agrupan en unidades celulares con vida propia y capacidad de autorreplicación.

·         Tisular: las células se organizan en tejidos: epitelial, adiposo, nervioso, muscular...

·         Organular: los tejidos están estructuras en órganos: corazón, bazo, pulmones, cerebro, riñones...

·         Sistémico o de aparatos: los órganos se estructuran en aparatos digestivos, respiratorios, circulatorios, nerviosos...

·         Organismo: nivel de organización superior en el cual las células, tejidos, órganos y aparatos de funcionamiento forman una organización superior como seres vivos: animales, plantas, insectos.

·         Población: los organismos de la misma especie se agrupan en determinado número para formar un núcleo poblacional: una manada de leones, o lobos, un bosque de arces, pinos...

·         Comunidad: es el conjunto de seres vivos de un lugar, por ejemplo, un conjunto de poblaciones de seres vivos diferentes. Está formada por distintas especies.

·         Ecosistema: es la interacción de la comunidad biológica con el medio físico, con una distribución espacial amplia.

·         Paisaje: es un nivel de organización superior que comprende varios ecosistemas diferentes dentro de una determinada unidad de superficie. Por ejemplo, el conjunto de vid, olivar y almendros característicos de las provincias del sureste español.

·         Región: es un nivel superior al de paisaje y supone una superficie geográfica que agrupa varios paisajes.

·         Bioma: Son ecosistemas de gran tamaño asociados a unas determinadas características ambientales: macroclimáticas como la humedad, temperatura, radiación y se basan en la dominancia de una especie, aunque no son homogéneos. Un ejemplo es la taiga que se define por las coníferas que es un elemento identificador muy claro pero no homogéneo, también se define por la latitud y la temperatura.

·         Biosfera: es todo el conjunto de seres vivos y componentes inertes que comprenden el planeta tierra, o de igual modo es la capa de la atmósfera en la que existe vida y que se sustenta sobre la litosfera.

Particularidades de los niveles: El nivel subatómico pertenece al mundo inorgánico y está constituido por las partículas subatómicas: electrones, protones, neutrones, mesones, positrones, etc., que responden a leyes propias. La cooperación entre estas partículas da como resultado el segundo nivel, el atómico, que está constituido por todos los elementos químicos conocidos y otros nuevos por descubrir.

El tercer nivel lo constituyen las moléculas, formadas por reuniones de átomos, que poseen propiedades físicas y químicas diferentes a las de los átomos que las componen; por ejemplo, los de cloro y de sodio, que bajo ciertas circunstancias reaccionan formando el cloruro de sodio o sal común. Dentro del nivel molecular existen las grandes moléculas de ácidos nucleicos (ADN y ARN), las cuales poseen la propiedad de autorreplicación y que son constituyentes principales de los virus y están presentes en todas las células.

El nivel celular surge por la interacción de agregados moleculares que conforman la materia viviente, organizada de manera tal que permite el metabolismo y la autoperpetuación. (Ramirez, 2016)

CLASIFICACIÓN DE LOS COMPUESTOS QUÍMICOS

 De acuerdo con la Tabla del Sistema Periódico los elementos químicos se clasifican de     la siguiente forma según sus propiedades físicas:

• Gases nobles
• Metales
• No metals
• Metaloides

Gases nobles. Son elementos químicos inertes, es decir, no reaccionan frente a otros elementos, pues en su última órbita contienen el máximo de electrones posibles para ese nivel de energía (ocho en total). 

Metales. Son elementos químicos que generalmente contienen entre uno y tres electrones en la última órbita, que pueden ceder con facilidad, lo que los convierte en conductores del calor y la electricidad. Los metales, en líneas generales, son maleables y dúctiles, con un brillo característico, cuya mayor o menor intensidad depende del movimiento de los electrones que componen sus moléculas. 

No metales. Poseen, generalmente, entre cinco y siete electrones en su última órbita. Debido a esa propiedad, en lugar de ceder electrones su tendencia es ganarlos para poder completar ocho en su última órbita.
Metaloides. Son elementos que poseen, generalmente, cuatro electrones en su última órbita, por lo que poseen propiedades intermedias entre los metales y los no metales. Esos elementos conducen la electricidad solamente en un sentido, no permitiendo hacerlo en sentido contrario como ocurre en los metales. Un 75% de los elementos químicos existentes en la naturaleza son metales y el resto no metales y metaloides. (Gaibor, 2015)

TABLA PERIÓDICA

También denominado Sistema Periódico, es un esquema de todos los elementos químicos dispuestos por orden de número atómico creciente y en una forma que refleja la estructura de los elementos. Los elementos están ordenados en 7 hileras horizontales, llamadas periodos, y en 18 columnas verticales, llamadas grupos. Los grupos o columnas verticales de la tabla periódica fueron clasificados tradicionalmente de izquierda a derecha utilizando números romanos seguidos de las letras “A” o “B”, en donde la “B” se refiere a los elementos de transición. (Gaibor, 2015)

LEY PERIÓDICA

Esta ley es la base de la tabla periódica y establece que las propiedades físicas y químicas de los elementos tienden a repetirse de forma sistemática conforme aumenta el número atómico. Todos los elementos de un grupo presentan una gran semejanza y, por lo general, difieren de los elementos de los demás grupos.

CLASIFICACIÓN PERIÓDICA

El procedimiento para clasificar los elementos colocándolos por orden de su número atómico y el comportamiento químico de los elementos llevó a dividirla en:

o    7 renglones horizontales llamados “períodos”, que corresponden a cada una de las 7 capas o niveles de energía: K, L, M, N, O, P, Q.

o    El número de columnas verticales se denomina “grupos”: I, II, III, IV, IV, VI, VII y VIII, y para que los elementos de propiedades semejantes se encuentren unos debajo de otros, cada uno de los grupos ha sido dividido en 2 subgrupos, a los que se les designa con la letra A y B. Por último, está el “grupo O” o gases nobles, que tienen como común denominador, la última capa orbital llena.

La importancia de la tabla periódica radica en determinar:

o    Número atómico

o    Masa atómica

o    Símbolo

o    Actividad Química

o    Características del elemento por su grupo y período

o    Tipo o forma del elemento (gas, líquido, sólido, metal o no metal)

 

PERÍODOS

o    1er período: se capa característica es la K y tiene únicamente 2 elementos (H y He).

o    2do período: comprende en la estructura de sus átomos hasta la capa L, se le llama período corto por tener únicamente 8 elementos.

o    3er período: su última capa es la M; también es un período corto de 8 elementos.

o    4to período: su capa característica es la N, y contiene 18 elementos.

o    5to período: su capa característica es la O, contiene 18 elementos.

o    6to período: su capa característica es la P, contiene 32 elementos.

o    7mo período: su capa característica es la Q, contiene 19 elementos. Es la última capa orbital posible de un elemento.

 

GRUPOS O FAMILIAS

o    Grupo IA: son los metales alcalinos: litio, sodio, potasio, rubidio y cesio. Su número de valencia es +1.

o    Grupo IIA: son los metales alcalinos-térreos: berilio, magnesio, calcio, estroncio, bario y radio. Su número de valencia es +2.

o    Grupo IIIA: son los metales térreos: boro y aluminio. Su número de valencia es +3.

o    Grupo IVA: familia del carbono; los primeros son dos no metales (carbono y silicio), y los tres últimos son metales (germanio, estaño, y plomo). Sus valencias más comunes son +2 y +4.

o    Grupo VA: familia del nitrógeno: nitrógeno y fósforo (no metales), arsénico, antimonio y bismuto (metales). Su número de valencia más común es +1,+3,+5,-1 y -3.

o    Grupo VIA: familia del oxígeno: oxígeno, azufre, selenio y teluro (no metales). Valencias -2, +2, +4 y +6.

o    Grupo VIIA: familia de los halógenos: flúor, cloro, bromo y yodo. Son no metales. Valencias -1, +1, +3, +5 y +7.

o    Grupo IB al VIIB: son los elementos de transición: todos ellos metales, entre los que destacan están: níquel, cobre, zinc, oro, plata, platino y mercurio. Su número de valencia varía según el elemento.

o    Grupo VIII: en cada período abarca 3 elementos: fierro, cobalto y níquel; rutenio, rodio y paladio; osmio, iridio y platino. Sus números de valencia varían según el elemento.

o    Grupo VIIIA u O: son los gases nobles: helio, neón, argón, kriptón, xenón y radón. Su número de valencia es 0.

 

METALES

De los 118 elementos son 94 metales, se encuentran en la naturaleza combinados con otros elementos, el oro, la plata, el cobre y platino se encuentran libres en la naturaleza. Son elementos metálicos.

o    GRUPO IA: excepto el hidrógeno.

o    GRUPO IIA: todos.

o    GRUPO IIIA: excepto el boro.

o    GRUPO IVA: excepto el carbono y el silicio.

o    GRUPO VA: Sólo el antimonio y bismuto.

o    GRUPO VIA: Sólo el polonio.

A todos los elementos de los grupos B, se les conoce también como metales de transición. Algunas de las propiedades físicas de estos elementos son:

o    Son sólidos, menos el mercurio.

o    Estructura cristalina.

o    Brillo metálico y reflejan la luz.

o    Dúctiles y maleables.

o    Conductibilidad (calor y electricidad).

o    Punto de fusión y ebullición alto.

Entre sus propiedades químicas se encuentran:

o    Sus átomos tienen 1,2 o 3 electrones en su última capa electrónica.

o    Sus átomos generalmente siempre pierden dichos electrones formando iones positivos.

o    Sus moléculas son monoatómicas.

o    Se combinan con los no metales formando sales.

o    Se combinan con el oxígeno formando óxidos, los cuales, al reaccionar con el agua, forman hidróxidos.

o    Se combinan con otros metales formando “aleaciones”.

 

NO METALES

Sólo 22 elementos dentro del sistema periódico son no metales. A saber:

o    GRUPO IA: Hidrógeno.

o    GRUPO IIA: ninguno.

o    GRUPO IIIA: Boro.

o    GRUPO IVA: El carbono y el silicio.

o    GRUPO VA: Nitrógeno, fósforo y arsénico.

o    GRUPO VIA: Todos, excepto el polonio.

o    GRUPO VIIA: Todos.

o    GRUPO VIIIA: Todos.

Entre sus propiedades físicas podemos encontrar:

o    Son sólidos y gaseosos a temperatura ambiente, excepto el bromo que es líquido.

o    No tienen brillo y no reflejan la luz.

o    Son malos conductores de calor y electricidad.

o    Son sólidos quebradizos, por lo que no son dúctiles no maleables.

Y entre sus propiedades químicas tenemos que se dividen en 2 grupos: los gases nobles y los no metales.

GASES NOBLES:

o    Luces de neón en ciudad de China. El neón, es un gas noble.

o    Difícilmente forman compuestos con otros elementos.

o    Son malos conductores de calor y electricidad.

o    Son moléculas monoatómicas.

o    Su última capa de electrones está completa.

 

NO METALES

o    Sus átomos tienen en la última capa 4, 5, 6 o 7 electrones.

o    Aceptan electrones en su última capa, formando iones negativos.

o    Son moléculas diatómicas.

o    Forman sales en combinación con los metales.

o    Forman en combinación con el oxígeno, los anhídridos y con el hidrógeno los hidruros.

o    Los anhídridos al reaccionar con el agua forman ácidos.

o    Algunos elementos presentan el fenómeno de alotropía. (Gaibor, 2015)

 

PROPIEDADES PERIÓDICAS:

o    Radio atómico: es la distancia que hay desde el centro del núcleo hasta el electrón más externo del mismo. El aumento del radio atómico está relacionado con el aumento de protones y los niveles de energía. Al estudiar la tabla periódica se observa que el radio atómico de los elementos aumenta conforme va de arriba hacia abajo con respecto al grupo que pertenece, mientras que disminuye conforme avanza de izquierda a derecha del mismo modo.

o    Energía de ionización: se denomina a la cantidad de energía necesaria para desprender un electrón a un átomo gaseoso en su estado basal. Lo anterior tiene una relación intrínseca, puesto que, dentro de cada período, la primera energía de ionización de los elementos aumenta con el número atómico, mientras que dentro de un grupo disminuye conforme el núcleo atómico aumenta. Dicho de otra forma, la energía de ionización disminuye dentro de una familia o grupo conforme el tamaño atómico aumenta.

o    Afinidad electrónica: es la energía desprendida por dicho átomo cuando éste capta un electrón. Con relación a la tabla periódica tenemos que: aumenta en los grupos de abajo hacia arriba y de izquierda a derecha.

o    Electronegatividad: medida relativa del poder de atraer electrones que tiene un átomo cuando forma parte de un enlace químico. La electronegatividad aumenta de izquierda a derecha y de abajo hacia arriba. La afinidad electrónica y la electronegatividad no son iguales, ya que el primero es la atracción de un átomo sobre un electrón aislado, mientras que el segundo es la medida de la atracción que ejerce ese átomo sobre uno de los electrones que forman parte de un enlace y que comparte con otro átomo.

ESTADOS DE LA MATERIA

Materia es todo aquello que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio. La materia está formada, como sabemos, por partículas muy pequeñas. La intensidad de las fuerzas de cohesión entre las partículas que constituyen un sistema material (porción de materia que pueda delimitarse y ser estudiada en forma individual) determina su estado de agregación. Cuando un sistema material cambia de estado de agregación, la masa permanece constante, pero el volumen cambia. Modificando sus condiciones de temperatura o presión, pueden obtenerse distintos estados o fases.

Dadas las condiciones existentes en la superficie terrestre, solo algunas sustancias pueden hallarse de modo natural en los tres estados, tal es el caso del agua. La mayoría de sustancias se presentan en un estado concreto. Así, los metales o las sustancias que constituyen los minerales se encuentran en estado sólido y el oxígeno o el CO₂ en estado gaseoso:

SÓLIDOS: En los sólidos, las partículas están unidas por fuerzas de atracción muy grandes, por lo que se mantienen fijas en su lugar; solo vibran unas al lado de otras.

      Propiedades:

1.      Tienen forma y volumen constantes.Se caracterizan por la rigidez y regularidad de sus estructuras. No se pueden comprimir, pues no es posible reducir su volumen presionándolos.Se dilatan: aumentan su volumen cuando se calientan, y se contraen: disminuyen su volumen cuando se enfrían.

LÍQUIDOS: las partículas están unidas, pero las fuerzas de atracción son más débiles que en los sólidos, de modo que las partículas se mueven y chocan entre sí, vibrando y deslizándose unas sobre otras.

      Propiedades:

- No tienen forma fija pero sí volumen.

- La variabilidad de forma y el presentar unas propiedades muy específicas son características de los líquidos.

- Los líquidos adoptan la forma del recipiente que los contiene.

- Fluyen o se escurren con mucha facilidad si no están contenidos en un recipiente; por eso, al igual que a los gases, se los denomina fluidos.
- Se dilatan y contraen como los sólidos.

GASES: En los gases, las fuerzas de atracción son casi inexistentes, por lo que las partículas están muy separadas unas de otras y se mueven rápidamente y en cualquier dirección, trasladándose incluso a largas distancias.

Propiedades:

- No tienen forma ni volumen fijos.
- En ellos es muy característica la gran variación de volumen que experimentan al cambiar las condiciones de temperatura y presión.
- El gas adopta el tamaño y la forma del lugar que ocupa.
- Ocupa todo el espacio dentro del recipiente que lo contiene.
- Se pueden comprimir con facilidad, reduciendo su volumen.
- Se difunden y tienden a mezclarse con otras sustancias gaseosas, líquidas e, incluso, sólidas.
- Se dilatan y contraen como los sólidos y líquidos.

Plasma: Existe un cuarto estado de la materia llamado plasma, que se forman bajo temperaturas y presiones extremadamente altas, haciendo que los impactos entre los electrones sean muy violentos, separándose del núcleo y dejando sólo átomos dispersos.

El plasma, es así, una mezcla de núcleos positivos y electrones libres, que tiene la capacidad de conducir electricidad. Un ejemplo de plasma presente en nuestro universo es el sol.
Otros ejemplos:

Plasmas terrestres:

- Los rayos durante una tormenta.

- La ionosfera.

- La aurora boreal.

Plasmas espaciales y astrofísicos: 

- Las estrellas (por ejemplo, el Sol).

- Los vientos solares.

- El medio interplanetario (la materia entre los planetas del Sistema Solar), el medio interestelar (la materia entre las estrellas) y el medio intergaláctico (la materia entre las galaxias).

- Los discos de acrecimiento.

- Las nebulosas intergalácticas.

- Ambiplasma

Estado Condensado de Bose-Einstein: Representan un quinto estado de la materia visto por primera vez en 1955. El estado lleva el nombre de Satyendra Nath Bose y Albert Einstein, quien predijo su existencia hacia 1920. Los condensados B-E son superfluídos gaseosos enfriados a temperaturas muy cercanas al cero absoluto (-273 ° C o −459,67 °F). 

En este estado, todos los átomos de los condensados alcanzan el mismo estado mecánico-quantum y pueden fluir sin tener ninguna fricción entre sí. La propiedad que lo caracteriza es que una cantidad macroscópica de las partículas del material pasan al nivel de mínima energía, denominado estado fundamental.

Para hacernos una idea de lo que sería un objeto cotidiano estando en estado de Bose-Einstein, proponemos imaginar que varias personas estuvieran sentadas en la misma silla, no una sentada sobre otra, sino literalmente todas sentadas en la misma silla, ocupando el mismo espacio en el mismo momento.

Ilustración 8: Estados de la materia. En "Portal Educativo". Portal Educativo (2014), https://www.portaleducativo.net/cuarto-basico/640/Estados-de-materia-solido-liquido-gaseoso-plasma

FENÓMENOS BIOFÍSICOS

TENSIÓN SUPERFICIAL

Las moléculas de un líquido se atraen entre sí, de ahí que el líquido esté “cohesionado”. Cuando hay una superficie, las moléculas que están justo debajo de la superficie sienten fuerzas hacia los lados, horizontalmente, y hacia abajo, pero no hacia arriba, porque no hay moléculas encima de la superficie. El resultado es que las moléculas que se encuentran en la superficie son atraídas hacia el interior de éste.  De este modo, es la tensión superficial la que cierra una gota y es capaz de sostenerla contra la gravedad mientras cuelga desde un gotario. Ella explica también la formación de burbujas.

La tensión superficial se define en general como la fuerza que hace la superficie  dividida por la longitud del borde de esa superficie 

La tensión superficial ϒ también es la energía por unidad de área que se necesita para aumentar una superficie

       Las fuerzas que se encargan de la tensión superficial son la adhesión y la cohesión.

   La adhesión es la propiedad de la materia por la cual se unen y plasman dos superficies de sustancias iguales o diferentes cuando entran en contacto, y se mantienen juntas por fuerzas intermoleculares.

La adhesión ha jugado un papel muy importante en muchos aspectos de las técnicas de construcción tradicionales. La adhesión del ladrillo con el mortero (cemento) es un ejemplo claro.

Adhesión Mecánica: Los materiales adhesivos rellenan los huecos o poros de las superficies manteniendo las superficies unidas por enclavamiento. Existen formas a gran escala de costura, otras veces a media escala como el velcro y algunos adhesivos textiles que funcionan a escalas pequeñas. Es un método similar a la tensión superficial

Adhesión Química: Dos materiales pueden formar un compuesto al unirse. Las uniones más fuertes se producen entre átomos donde hay permutación (enlace iónico) o se comparten electrones (enlace covalente). Un enlace más débil se produce cuando un átomo de hidrógeno que ya forma parte de una partícula se ve atraída por otra de nitrógeno, oxígeno o flúor, en ese caso hablaríamos de un puente de hidrógeno. La adhesión química se produce cuando los átomos de la interfaz de dos superficies separadas forman enlaces iónicos, covalentes o enlaces de hidrógeno.

Adhesión Dispersa: En la adhesión dispersiva, dos materiales se mantienen unidos por las fuerzas de van der Waals: la atracción entre dos moléculas, cada una de las cuales tiene regiones de carga positiva y negativa. En este caso, cada molécula tiene una región de mayor carga positiva o negativa que se une a la siguiente de carga contraria. 

Adhesión Electrostática: Algunos materiales conductores dejan pasar electrones formando una diferencia de potencial al unirse. Esto da como resultado una estructura similar a un condensador y crea una fuerza electrostática atractiva entre materiales.

Adhesión Difusa: Algunos materiales pueden unirse en la interfase por difusión. Esto puede ocurrir cuando las moléculas de ambos materiales son móviles y solubles el uno en el otro. Esto sería particularmente eficaz con las cadenas de polímero en donde un extremo de la molécula se difunde en el otro material. También es el mecanismo implicado en sinterización. Cuando el metal o cerámica en polvo se somete a presión y se calienta, los átomos difunden de una partícula a otra. Esto hace que se homogenice el material.

La unión por difusión se produce cuando las especies de una superficie penetran en una superficie adyacente sin dejar de ser unido a la fase de su superficie de origen. 

COHESIÓN

Es la atracción entre moléculas que mantiene unidas las partículas de una sustancia. La cohesión es diferente de la adhesión; la cohesión es la fuerza de atracción entre partículas adyacentes dentro de un mismo cuerpo, mientras que la adhesión es la interacción entre las superficies de distintos cuerpos.

La convierte en un líquido casi incompresible. Al no poder comprimirse puede funcionar en algunos animales como un esqueleto hidrostático, como ocurre en algunos gusanos perforadores capaces de agujerear la roca mediante la presión generada por sus líquidos internos.

Cohesión en diferentes estados: Tanto los gases como los líquidos son fluidos, pero los líquidos tienen una propiedad de la que carecen los gases: tienen una superficie “libre”, o sea tienen una superficie cuya forma no está determinada por la forma del recipiente que lo contiene. Esta superficie se forma por una combinación de atracción gravitacional de la tierra (fuerza ocasionada por el peso) y de fuerzas entre moléculas del líquido. Una consecuencia de eso es que en la superficie de los líquidos actúa una fuerza que no está presente en el interior de los líquidos (salvo que haya burbujas en el interior), por eso llamada “tensión superficial”. Aunque relativamente pequeña, esta fuerza es determinante para muchos procesos biológicos, para la formación de burbujas, para la formación de olas pequeñas, etc.

PRESIÓN HIDROSTÁTICA
Es aquella generada por un fluido en reposo, al contrario que la presión de un fluido en movimiento, llamada presión hidrodinámica. Se trata de una propiedad de suma importancia en el mundo, ya que una gran parte de la tierra está conformada de materia en estado líquido. Esta presión existe debido al peso que posee un fluido en reposo. Un fluido cualquiera ubicado en un recipiente genera presión sobre el fondo y los bordes que lo contienen. Dicha presión dependerá de la densidad y la altura del fluido o líquido con referencia al punto en el que se está midiendo.

El principio de Arquímedes y la presión hidrostática: Arquímedes de Siracusa fue un matemático, físico, astrónomo e inventor griego considerado uno de los más grandes científicos de la historia clásica.

Es mundialmente reconocido por haber diseñado máquinas innovadoras como lo fueron el tornillo de Arquímedes y las armas de asedio. En cuanto al mundo de la física se refiere, Arquímedes enfocó sus estudios hacia la hidrostática.

El principio de Arquímedes, también conocido como la ley hidrostática, enuncia que “un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido en reposo, experimenta un empuje vertical y hacia arriba igual al peso de la masa del volumen del fluido que desaloja.”

Esto quiere decir que todo cuerpo que se encuentre total o parcialmente sumergido en un fluido estático, se sentirá presionado con una fuerza similar al peso del volumen del fluido ya desplazado por el mismo cuerpo.

En cuanto a la presión hidrostática se refiere, se puede decir que, a cierta profundidad, dicha presión será igual al producto de la densidad del fluido debido a la aceleración gravitatoria.

ACCION CAPILAR

Se define como el movimiento del agua dentro de los espacios de un material poroso, debido a las fuerzas de adhesión y a la tensión de la superficie.  La acción capilar ocurre porque el agua es pegajosa – las moléculas del agua se pegan unas a otras y a otras substancias como el vidrio, la ropa, tejidos orgánico y la tierra. Ponga una toalla de papel dentro de un vaso de agua y el agua se le “pegará” a la toalla de papel. Aún más, empezará el agua a moverse hacia arriba de la toalla hasta que el jalón de la gravedad sea mucho para ella y no pueda continuar.  (Figueroa, 2016)

CAPILARIDAD

Propiedad física del agua en la que avanza por medio de un canal pequeño que puede ser determinado en micras o milímetros, esto sucede cuando el agua se encuentra en contacto con las dos paredes del canal, las cuales pueden permanecer juntas para un mayor ascenso o descenso de la misma.(Figueroa, 2016)

DIFUSIÓN
La difusión (también difusión molecular) es un proceso físico irreversible, en el que partículas materiales se introducen en un medio que inicialmente estaba ausente, aumentando la entropía (Desorden molecular) del sistema conjunto formado por las partículas difundidas o soluto y el medio donde se difunden o disuelven.

Normalmente los procesos de difusión están sujetos a la Ley de Fick. La membrana permeable puede permitir el paso de partículas y disolvente siempre a favor del gradiente de concentración. La difusión, proceso que no requiere aporte energético, es frecuente como forma de intercambio celular. 

DIFUSIÓN SIMPLE

Proceso por el cual se produce un flujo neto de moléculas pasa a través de una membrana permeable sin que exista un aporte externo de energía. En este proceso el desplazamiento de las moléculas se produce siguiendo el gradiente de concentración, las moléculas atraviesan la membrana desde el medio donde se encuentran en mayor concentración, hacia el medio donde se encuentran en menor concentración. Es de vital importancia para el transporte de moléculas pequeñas a través de las membranas celulares. Es el único mecanismo por el cual el oxígeno ingresa a las células que lo utilizan como aceptor final de electrones en la cadena respiratoria y uno de los principales mecanismos de regulación osmótica en las células.

DIFUSIÓN FACILITADA

Algunas moléculas son demasiado grandes como para difundir a través de los canales de la membrana y demasiado hidrofílicos para poder difundir a través de la capa de fosfolípidos y hopanoides. Tal es el caso de la fructuosa y algunos otros monosacáridos.

Estas sustancias, pueden sin embargo cruzar la membrana plasmática mediante el proceso de difusión facilitada, con la ayuda de una proteína transportadora. 

La difusión facilitada es mucho más rápida que la difusión simple y depende:

·         Del gradiente de concentración de la sustancia a ambos lados de la membrana.

·         Del número de proteínas transportadoras existentes en la membrana.

·         De la rapidez con que estas proteínas hacen su trabajo. (Chalen, 2015)

OSMOSIS.

Es un fenómeno físico relacionado con el movimiento de un solvente a través de una membrana semipermeable. Tal comportamiento supone una difusión simple a través de la membrana, sin gasto de energía. La ósmosis del agua es un fenómeno biológico importante para el metabolismo celular de los seres vivos.

DIÁLISIS.

La diálisis (del griego diálisis, significando disolución, día, significa a través, y lysis, separación) es un proceso mediante el cual se extraen las toxinas y el exceso de agua de la sangre, normalmente como terapia renal sustitutiva tras la pérdida de la función renal en personas con fallo renal.

ADSORCIÓN.

La adsorción es un proceso por el cual átomos, iones o moléculas son atrapados o retenidos en la superficie de un material en contraposición a la absorción, que es un fenómeno de volumen. Es decir, es un proceso en el cual por ejemplo un contaminante soluble (adsorbato) es eliminado del agua mediante el contacto con una superficie sólida (adsorbente). El proceso inverso a la adsorción se conoce como desorción. (Chalen, 2015)

FENÓMENOS FÍSICOS Y QUÍMICOS EN LOS SERES VIVOS

     La materia puede someterse a dos tipos de procesos o fenómenos, los físicos y los químicos.

Cuando ocurre un fenómeno físico las sustancias realizan un proceso o cambio sin perder sus propiedades características, es decir, sin modificar su naturaleza. Por ejemplo, si disolvemos sal común en agua, tiene lugar un proceso físico, tras el cual la sal y el agua siguen teniendo las mis­mas propiedades características, como se puede comprobar recupe­rando la sal por calentamiento de la disolución. Es decir, en el pro­ceso de disolución no se altera la naturaleza de las sustancias que se disuelven. Lo mismo ocurre al disolver azúcar en leche, alcohol en agua, al mezclar arena y serrín... También es un proceso físico la fusión del hielo, pues el líquido que se obtiene sigue siendo agua, e incluso el paso de ésta a vapor. Otros fenómenos físicos son el desplazamiento de un vehículo, el paso de la electricidad por los cables, la dilatación de un cuerpo al ser calentado, el paso de la luz a través de los cristales de una ven­tana o de una lente, etcétera.(Garcia, 2015)

MAGNITUDES Y MEDIDAS

DEFINICIÓN

Llamamos magnitud a toda entidad que somos capaces de medir. Donde medir quiere decir establecer una relación entre la entidad-magnitud con otra entidad de igual naturaleza que tomamos arbitrariamente como unidad. No todos los atributos de un objeto son magnitudes. Utilizando el criterio de igualdad y suma podemos distinguir los atributos que se pueden medir y por tanto son magnitudes (longitud, tiempo, carga, masa, energía, etc.), de las que no se pueden medir y por tanto no son magnitudes (dolor, alegría, etc.).
Todas las unidad que asignamos a las magnitudes tienen que cumplir los siguientes criterios:
1- Ser invariable: Las unidades son las mismas en cualquier lugar o con cualquier condición.
2- Tener fácil contrastabilidad: Se puede comparar con cualquier cantidad de la magnitud que estamos midiendo.
3- Tener un carácter internacional: Debe ser un código que se entienda internacionalmente, para facilitar la transmisión de los datos.

Gracias a todo lo anterior, podemos afirmar que las magnitudes pueden igualarse y sumarse dando lugar a otras magnitudes de la misma naturaleza, por tanto, son cantidad algebraicas con las que podemos calcular.

Tipos de Magnitudes

Las magnitudes pueden clasificarse en dos tipos:

 Magnitudes fundamentales: Son las magnitudes primarias y, al contrario de las magnitudes derivadas, no se definen en función de otras magnitudes. Por ejemplo, en el campo de la mecánica las tres magnitudes fundamentales son: la longitud (L), el tiempo (T) y la masa (M).
– Magnitudes derivadas: Son todas las magnitudes cuyas operaciones se basan en otras magnitudes, como por ejemplo la velocidad, ya que se define como el espacio recorrido por unidad de tiempo (Sanchez, 2013)

El Sistema Internacional de Unidades (SI)

Las condiciones de definición de un sistema de unidades permitiría el establecimiento de una considerable variedad de ellos. Así, es posible elegir conjuntos de magnitudes fundamentales diferentes o incluso, aun aceptando el mismo conjunto, elegir y definir unidades distintas de un sistema a otro.

Desde un punto de vista formal, cada científico o cada país podría operar con su propio sistema de unidades, sin embargo, y aunque en el pasado tal situación se ha dado con cierta frecuencia (recuérdense los países anglosajones con sus millas, pies, libras, grados Fahrenheit, etc.), existe una tendencia generalizada a adoptar un mismo sistema de unidades con el fin de facilitar la cooperación y comunicación en el terreno científico y técnico.

En esta línea de acción, la XI Conferencia General de Pesas y Medidas celebrada en París en 1960, tomó la resolución de adoptar el llamado con anterioridad Sistema Práctico de Unidades, como Sistema Internacional, que es, precisamente, como se le conoce a partir de entonces.

El Sistema Internacional de Unidades (abreviadamente SI) distingue y establece, además de las magnitudes básicas y de las magnitudes derivadas, un tercer tipo formado por aquellas que aún no están incluidas en ninguno de los dos anteriores, son denominadas magnitudes suplementarias.

El SI toma como magnitudes fundamentales la longitud, la masa, el tiempo, la intensidad de corriente eléctrica, la temperatura absoluta, la intensidad luminosa y la cantidad de sustancia, y fija las correspondientes unidades para cada una de ellas.

El Sistema Internacional

A lo largo de la historia el hombre ha venido empleando diversos tipos de sistemas de unidades. Estos están íntimamente relacionados con la condición histórica de los pueblos que las crearon, las adaptaron o las impusieron a otras culturas. Su permanencia y extensión en el tiempo lógicamente también ha quedado ligada al destino de esos pueblos y a la aparición de otros sistemas más coherentes y generalizados. El sistema anglosajón de medidas -millas, pies, libras, Grados Farenheit- todavía en vigor en determinadas áreas geográficas, es, no obstante, un ejemplo evidente de un sistema de unidades en recesión. Otros sistemas son el cegesimal -centímetro, gramo, segundo-, el terrestre o técnico -metro-kilogramo, fuerza-segundo-, el Giorgi o MKS -metro, kilogramo, segundo- y el sistema métrico decimal, muy extendido en ciencia, industria y comercio, y que constituyó la base de elaboración del Sistema Internacional.

UNIDADES FUNDAMENTALES

Metro (m) Es la longitud del trayecto recorrido en el vacío por la luz durante un tiempo de 1/299 792 458 de segundo.

Kilogramo (kg) Es la masa del prototipo internacional de platino iridiado que se conserva en la Oficina de Pesas y Medidas de París.

Segundo (s) Unidad de tiempo que se define como la duración de 9 192 631 770 periodos de la radiación correspondiente a la transición entre dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio 133.

Ampere (A) Es la intensidad de corriente constante que, mantenida en dos conductores rectilíneos, paralelos, de longitud infinita, de sección circular despreciable y colocados a una distancia de un metro el uno del otro, en el vacío, produce entre estos conductores una fuerza igual a 2 10-7 N por cada metro de longitud.

Kelvin (K) Unidad de temperatura termodinámica correspondiente a la fracción 1/273, 16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua.

Candela (cd) Unidad de intensidad luminosa, correspondiente a la fuente que emite una radiación monocromática de frecuencia 540 l0l2 Hz y cuya intensidad energética en esa dirección es 1/683 W sr-1.

Mol (mol) Cantidad de sustancia de un sistema que contiene tantas entidades elementales como átomos hay en 0,012 kg de carbono 12.

Magnitud fundamental	Unidad	Abreviatura
Longitud	metro	m
Masa	kilogramo	kg
Tiempo	segundo	s
Temperatura	kelvin	K
Intensidad de corriente	amperio	A
Intensidad luminosa	candela	cd
Cantidad de sustancia	mol	mol

Ilustración 18Fuente: http://www.quimicaweb.net/ciencia/paginas/magnitudes.html

UNIDADES DERIVADAS

Coulomb (C) Cantidad de electricidad transportada en un segundo por una corriente de un amperio.

Joule (J) Trabajo producido por una fuerza de un newton cuando su punto de aplicación se desplaza la distancia de un metro en la dirección de la fuerza.

Newton (N) Es la fuerza que, aplicada a un cuerpo que tiene una masa de 1 kilogramo, le comunica una aceleración de 1 metro por segundo, cada segundo.

Pascal (Pa) Unidad de presión. Es la presión uniforme que, actuando sobre una superficie plana de 1 metro cuadrado, ejerce perpendicularmente a esta superficie una fuerza total de 1 newton.

Volt (V) Unidad de tensión eléctrica, potencial eléctrico, fuerza electromotriz. Es la diferencia de potencial eléctrico que existe entre dos puntos de un hilo conductor que transporta una corriente de intensidad constante de 1 ampere cuando la potencia disipada entre esos puntos es igual a 1 watt.

      Watt (W) Potencia que da lugar a una producción de energía igual a 1 joule por segundo.

Ohm (ð) Unidad de resistencia eléctrica. Es la resistencia eléctrica que existe entre dos puntos de un conductor cuando una diferencia de potencial constante de 1 volt aplicada entre estos dos puntos produce, en dicho conductor, una corriente de intensidad 1 ampere, cuando no haya fuerza electromotriz en el conductor.

Weber (Wb) Unidad de flujo magnético, flujo de inducción magnética. Es el flujo magnético que, al atravesar un circuito de una sola espira produce en la misma una fuerza electromotriz de 1 volt si se anula dicho flujo en 1 segundo por decrecimiento uniforme (Mesa, 2013).     

Magnitud	Unidad	Abreviatura	Expresión SI
Superficie	metro cuadrado	m2	m2
Volumen	metro cúbico	m3	m3
Velocidad	metro por segundo	m/s	m/s
Fuerza	newton	N	Kg·m/s2
Energía, trabajo	julio	J	Kg·m2/s2
Densidad	kilogramo/metro cúbico	Kg/m3	Kg/m3

Ilustración 19Fuente: http://www.quimicaweb.net/ciencia/paginas/magnitudes.

FUERZA

Fuerza es todo agente capaz de modificar la cantidad de movimiento o la forma de los cuerpos materiales.” Definición de Wikipedia, que nos advierte: “No debe confundirse con los conceptos de esfuerzo o de energía.” Como definición de energía nos dice: “Energía...capacidad para obrar, transformar o poner en movimiento.”

Vemos en la definición que la fuerza está relacionada con el movimiento y el cambio. La fuerza es la causa del cambio, energía la capacidad de cambiar. Una es potencial, la otra es energía en acción. La materia cambia por la acción de fuerza, que es una manifestación de la energía. Materia y energía pueden transformase mutuamente.

La energía es una capacidad de la materia. Así la materia lleva en sí misma la posibilidad de cambio. La materia es la fuente del cambio, la creadora del 

Una consecuencia visible de la teoría de la relatividad es la comprobación de la desviación o curvatura de la trayectoria de la luz al pasar junto a un objeto sideral. Esto parece confirmar la curvatura del espacio espacio-tiempo

La curvatura del espacio introduce un serio problema. ¿Si el espacio no existe, por si, libre de objetos, como puede curvarse? El decir que el espacio se curva soluciona en la práctica los cálculos matemáticos, pero crea automáticamente otros graves. Veamos las posibilidades:

     El espacio existe (en tanto tiene propiedades al menos el curvarse y desviar la luz)

      La luz no tiene masa, pero es afectada en su trayectoria por la “fuerza” de la gravedad.

El objeto que produce gravedad es tan amplio como todo lo que afecta, la luz no pasa junto a un objeto, sino que entra en él, dentro de él la geometría no es plana

El primero es difícil de asumir,  porque habría que considerar también al espacio como poseedor de masa, para que la gravedad pueda afectarlo. El segundo no es aceptable en su propio enunciado. Lo único que parece coherente es el tercero. La materia es masa y la masa es energía.

La magnitud de estas interacciones se puede medir utilizando el concepto de fuerza, la cual podemos definir así:

Fuerza es la interacción entre dos cuerpos, que produce cambios ya sea en la forma o en el estado (reposo o movimiento) de ellos.”

Las leyes que rigen el comportamiento de las fuerzas las enunció Newton y hoy se conocen como Las tres leyes de Newton y conforman los Principios de la Dinámica (Vivas, 2015)

Primera Ley o Ley de Inercia	Todo cuerpo permanece en su estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme a menos que otros cuerpos actúen sobre él.
Segunda ley o Principio Fundamental de la Dinámica	La fuerza que actúa sobre un cuerpo es directamente proporcional a su aceleración.
Tercera ley o Principio de acción-reacción	Cuando un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro, éste ejerce sobre el primero una fuerza igual y de sentido opuesto.

Ilustración 20Fuente: http://www.profesorenlinea.cl/fisica/Energia_fuerza_trabajo.html

ENERGIA

La energía es una propiedad o atributo de todo cuerpo o sistema material en virtud de la cual éstos pueden transformarse modificando su situación o estado, así como actuar sobre otros originando en ellos procesos de transformación. Sin energía, ningún proceso físico, químico o biológico sería posible. Dicho en otros términos, todos los cambios materiales están asociados con una cierta cantidad de energía que se pone en juego, se cede o se recibe.

Conceptualmente, energía es la capacidad para realizar un trabajo o para transferir calor; la energía a su vez se presenta como energía calórica, energía mecánica, energía química, energía eléctrica y energía radiante; estos tipos de energía pueden ser además potencial o cinética. La energía potencial es la que posee una sustancia debido a su posición espacial o composición química y la energía cinética es la que posee una sustancia debido a su movimiento (Querelle, 2016).

ELASTICIDAD Y RESISTENCIA DE LOS TEJIDOS

La elasticidad es una propiedad que también se encuentra en muchos órganos, tejidos y músculos de los organismos, teniendo esto relación con la capacidad de crecer y volverse elásticos de acuerdo a diferentes situaciones. Un ejemplo claro de órgano elástico es la del estómago, que puede aumentar varias veces  su tamaño original para luego volver a su estado de reposo luego de haberse realizado el proceso de alimentación. Normalmente, en el caso de los órganos y músculos, la elasticidad tiene que ver con una correcta hidratación ya que la ausencia de agua (como sucede con la piel) resquebraja y atrofia a los diferentes tejidos. La resistencia es la tendencia de un material a resistir el flujo de corriente y es específica para cada tejido, dependiendo de su composición, temperatura y de otras propiedades físicas.

Los nervios, encargados de transmitir señales eléctricas, los músculos, y los vasos sanguíneos con su alto contenido en electrolitos y agua son buenos conductores. Los huesos, los tendones y la grasa tienen una gran resistencia y tienden a calentarse y coagularse antes que transmitir la corriente.

Alrededor de 85% de la masa muscular esquelética del ser humano está compuesta por fibras musculares propiamente dichas.

El 15% restante está formado en gran parte por tejido conectivo compuesto en cantidades variables por fibras colágenas, reticulares y elásticas

Fibras colágenas: Son las más abundantes. Están formadas por la proteína colágeno. Brindan rigidez y resistencia al tejido. El colágeno es la proteína más abundante del organismo humano, representando el 30% del total. Se encuentran en la gran mayoría de los tejidos conectivos, sobre todo en el hueso, el cartílago, los tendones y los ligamentos. Son flexibles y resistentes.

Fibras elásticas: Son más pequeñas que las de colágeno, se ramifican y vuelven a reunirse libremente unas con otras. Están constituidas por la proteína (colágeno) y elastina. Al igual que las fibras de colágeno, proporcionan resistencia, pero además pueden estirarse ampliamente, sin romperse. Las fibras elásticas son muy abundantes en la piel, los vasos sanguíneos y los pulmones, se estiran sin romperse hasta el 150% de su longitud.

Por lo tanto, el tejido conectivo constituye una estructura de elementos simples y, en su mayoría, semejantes a muelles, es decir, los componentes elásticos del musculo (Alvarado, 2017)       

Resistencia de los huesos: Los huesos les confieren una enorme resistencia y les permite soportar sin problema todo el peso del resto del cuerpo. La fortaleza de los huesos se debe principalmente a su estructura interna, construida a partir de miles de unidades tubulares compactadas en torno al perímetro del hueso: los sistemas haversianos. (Alvarado, 2017)

MATERIA Y ENERGÍA

Todas las cosas de este mundo están hechas de materia. La podemos encontrar en tres estados: sólido, líquido y gaseoso. Pero ¿qué es la materia?, ¿de qué está formada? Las unidades que constituyen la materia se denominan átomos. Cuando los átomos se unen forman una molécula. Existen en total 109 átomos o elementos químicos diferentes.

     La materia en nuestro planeta

La materia es todo aquello que tiene masa e inercia y ocupa un lugar en el espacio. Todas las cosas están hechas de materia, las sólidas (como la piedra o el hierro), las líquidas (como el aceite o el mar) y las gaseosas (como el aire que respiramos).

    Cada estado de la materia tiene particularidades diferentes:

     La materia tiene las siguientes propiedades:

    Forma: depende del estado en que se encuentre la materia.

Masa: es la cantidad de materia que posee un cuerpo. Se mide en kilogramos, aunque también se emplean sus múltiplos o submúltiplos.

Volumen: es el espacio que ocupa la materia. Se mide en metros cúbicos, pero también se emplean sus múltiplos o submúltiplos.

Densidad: relaciona la cantidad de masa de la materia y el volumen que ocupa. Así, un metal y un trozo de corcho del mismo tamaño tienen el mismo volumen, pero su masa es diferente. La densidad se mide en unidades de masa respecto a unidades de volumen.

La materia cambia

La materia puede presentar más de un estado, en el caso del agua, los tres. Así, es líquida cuando se encuentra a temperaturas entre 0 y 100ºC, sólida, en forma de hielo, cuando se encuentra por debajo de los 0ºC, o gaseosa, en forma de vapor, cuando alcanza más de 100ºC.

El calor produce cambios de estado en la materia, que se denominan progresivos (cuando absorben calor) y regresivos (cuando desprenden calor). Los cambios que pueden darse son los siguientes:

·         Sólido a líquido: fusión.

·         Sólido a gas: sublimación.

·         Líquido a gas: vaporización.

·         Líquido a sólido: solidificación.

·         Gas a líquido: condensación o licuación.

·         Gas a sólido: sublimación inversa.

Por otra parte, dentro de la materia existen sustancias que son mezclas de más de un componente. Estas mezclas pueden ser homogéneas (disoluciones) como la leche, el agua del río o la mayonesa. Sus componentes no se pueden distinguir, y presentan composición y propiedades uniformes en todas sus partes. Pueden ser también heterogéneas como el cemento, el agua con aceite o la tierra con agua. Sus componentes se aprecian a simple vista o con ayuda de un microscopio, y las propiedades pueden variar en diferentes partes de la mezcla.

A pesar de lo que parece, los componentes de las mezclas no pierden sus propiedades (debido a que su combinación es aparente), pudiendo separarse por métodos físicos sencillos.

LOS ÁTOMOS Y LOS ELEMENTOS

La materia está compuesta por pequeñas partículas denominadas átomos. Los átomos no son esferas indivisibles e inmutables, sino que están formados por otras partículas más diminutas que se llaman partículas subatómicas. Las más importantes son protones, neutrones y electrones. Los protones y los neutrones se ubican en el núcleo del átomo, mientras que los electrones se sitúan en la corteza del núcleo y giran a gran velocidad en los orbitales.

Cuando se unen dos o más átomos se forma una molécula. Si las sustancias están formadas por átomos de dos o más elementos diferentes en proporciones definidas, se conocen como compuestos químicos. En cambio, si los átomos de una molécula son iguales se habla de elemento químico.

Todo lo que existe en la Tierra está formado por la combinación de uno o varios de los 109 elementos que existen, desde el agua o los seres vivos hasta cualquier mineral o vegetal, y están clasificados en la llamada tabla periódica de los elementos. En esta tabla los elementos se presentan en orden creciente de masa atómica, y se distribuyen en columnas o grupos y en filas o períodos.

Cada elemento se representa por medio de un símbolo, que casi siempre es la inicial o iniciales de su nombre. Por ejemplo, O para el oxígeno o N para el nitrógeno. Otros, en cambio, llevan las letras de su nombre pero en latín, como la plata (Ag).

LOS COMPUESTOS

Los compuestos son dos o más tipos de elementos diferentes unidos entre sí mediante enlaces químicos. Toda la materia está formada por sustancias compuestas (formadas por diferentes átomos) y sustancias simples (formadas por átomos iguales). Por ejemplo, el agua es un compuesto de dos elementos que son el hidrógeno (H) y el oxígeno (O), en una proporción fija del 11% de hidrógeno y 89% de oxígeno.

La unión de dos sustancias diferentes puede dar origen a una nueva sustancia. Así, si juntamos el hierro y el azufre, la unión de sus átomos da como resultado el sulfuro de hierro. ¡Y este compuesto es totalmente diferente a cualquiera de las dos sustancias que lo originaron!

     Los principales grupos de compuestos inorgánicos son cuatro:

·         Ácidos. En su estructura poseen átomos de hidrógeno. Tienen sabor ácido parecido al del limón y neutralizan a las bases.

·         Bases. Poseen en su estructura el grupo funcional OH (hidroxilo). Tienen sabor amargo y neutralizan a los ácidos.

·         Sales. Se obtienen a partir de la reacción entre un ácido y un hidróxido.

·         Óxidos. Son combinaciones del oxígeno con los metales.

PROPIEDADES DE LA MATERIA

Para identificar las sustancias y determinar para qué pueden servir, hay que definir las propiedades de la materia que hacen que una sustancia y otra sean diferentes.

En la siguiente tabla se describen algunas de estas propiedades.

Maleabilidad y ductilidad	La materia es dúctil cuando se puede estirar en hilos o alambres.
	La materia es maleable cuando se puede extender en planchas o láminas. Se puede moldear.
Viscosidad	Una sustancia viscosa es aquella que fluye o se desliza con dificultad. Por ejemplo, la miel es muy viscosa y en cambio el agua no.
Densidad	Aunque dos objetos tengan el mismo tamaño no tienen por qué tener la misma masa y por eso no pesarán lo mismo. El que sea más denso pesará más porque tiene más cantidad de materia en el mismo volumen. Un trozo de hierro y otro de esponja del mismo tamaño no pesan lo mismo porque tienen diferente densidad.
Elasticidad	La materia que es elástica puede deformarse y volver de nuevo a su estado original cuando cesa la fuerza que provocó la deformación. El chicle, por ejemplo, es un material muy elástico.
Conductividad	La conductividad es la propiedad de conducir el calor o la electricidad. Los metales son muy buenos conductores de la electricidad, la madera no.

Ilustración 21Las propiedades específicas de la materia son, entre otras, el color, el olor, el sabor, el estado físico, el brillo, la dureza y el punto de ebullición, esto es, la temperatura a la que hierve una sustancia.

El reciclaje de los materiales

Las sociedades desarrolladas generan cada día un mayor volumen de residuos sólidos urbanos, cuya acumulación, tratamiento y eliminación plantea gran controversia y graves problemas medioambientales. Resulta imprescindible aplicar la estrategia de las "tres erres": reducir la cantidad de residuos, reutilizar la mayor parte y reciclar todo lo que sea posible.

¿Pero cuáles son los materiales que se pueden reciclar?

• El papel y los productos derivados se obtienen de las fibras de celulosa que forman parte de la madera.
• El vidrio es un material 100% reciclable, que se puede usar una y otra vez para hacer nuevos envases. Los envases de vidrio pueden ser recuperados aun cuando estén rotos o en pedazos.
• Los envases de plástico son fácilmente recuperables en su fuente de origen. Por otro lado su gran estabilidad química explica la resistencia de sus residuos en los vertederos lo que constituye un grave problema medioambiental.
• El aluminio es un metal que se extrae de un mineral llamado bauxita mediante un proceso eléctrico. Al reciclarlo se ahorra el 95% de la energía necesaria para producir aluminio utilizando como materia prima la bauxita (Vasco, 2014)

ENERGÍA

La energía es una cualidad de los cuerpos que les permite transformarse o producir cambios en otros cuerpos. La energía puede manifestarse de muchas formas: mediante luz, calor y movimiento. Las variaciones de los estados físicos y químicos de cada cuerpo determinan cómo se manifiesta la energía. No obstante, sea cual sea la forma que adopte (eléctrica, magnética...), siempre se cumple el principio de conservación de la energía, que afirma que ésta ni se crea ni se destruye, sino que se transforma.

En muchas ocasiones los cuerpos adquieren energía mediante fuerzas que ocasionan desplazamientos. Esta forma de comunicar energía a los cuerpos se denomina trabajo. Así, cuando la energía que posee un cuerpo se manifiesta a través del trabajo, midiéndolo podremos saber la cantidad de energía que contiene ese cuerpo. Este principio funciona también en sentido contrario: si hemos realizado un trabajo sobre un cuerpo proporcionándole energía, al medirlo sabremos la cantidad de energía que permanece de forma latente en el cuerpo. Por todas estas razones, la energía y el trabajo se miden con las mismas unidades.

La energía se transforma adoptando diversas formas, aunque la cantidad total se conserva. En cualquier transformación parte de la energía se transfiere al entorno en forma de energía térmica. Esta energía térmica, al ser menos aprovechable, se considera energía degradada. Una bombilla doméstica como la de la ilustración consume 100 julios de energía eléctrica, que se transforman en 15 julios de energía luminosa y 85 julios de energía térmica.

UNIDADES DE MEDIDA

    Las principales unidades de medida relacionadas con la energía son:

• En el sistema internacional de unidades, la unidad de trabajo y de energía es el julio.
• En física nuclear se utiliza como unidad el electronvoltio.
• La potencia es el trabajo que realiza un sistema en una unidad de tiempo. Su unidad en el sistema internacional es el vatio.
• Para la energía eléctrica empleamos como unidad de producción el kilovatio/hora.

¿De dónde proviene la energía que consumimos?

El Sol es la fuente de casi toda la energía que se encuentra en nuestro planeta. Es el responsable de los vientos, de la evaporación de las aguas superficiales y de la formación de las nubes y las lluvias. Su calor y su luz son la base fundamental de numerosas reacciones químicas indispensables para el desarrollo de organismos unicelulares vegetales y animales, tanto de los actuales como de los que, con el paso de los siglos, dieron origen a los combustibles fósiles que utilizamos ahora.

El principio de conservación de la energía establece que ésta no se crea ni se destruye, solamente se transforma. El funcionamiento del medio natural implica la transformación y transferencia de la energía de unos seres vivos a otros. Los vegetales transforman la energía solar en energía química, que se acumula en sus células. 

La Tierra posee una gran cantidad de energía, almacenada en distintas fuentes energéticas. Entre ellas podemos destacar el carbón, el petróleo, el gas natural, el uranio, el viento, el sol y el agua.

Clasificación de las fuentes de energía

Las fuentes de energía se pueden clasificar en función de distintos criterios:

• Según su renovabilidad.
• Según su utilización.

Las fuentes de energía renovables son aquellas que, en teoría, no se agotarán nunca. Las más importantes son las procedentes del sol, del viento, del agua, de las mareas y de la biomasa.

Las fuentes de energía no renovables existen en cantidad limitada. Una vez agotadas las reservas del planeta, tardarán mucho en regenerarse; por eso hay que usarlas con prudencia. Las más comunes son: el carbón, el petróleo, el gas natural y la energía nuclear.

Previsiones de la demanda mundial de energía para el año 2030
Fuente: Agencia Internacional de la Energía - World Energy Outlook 2003.

Según su utilización, se distingue entre fuentes de energía primaria y secundaria. Las primarias son las que se obtienen directamente de la naturaleza. Entre ellas estarían el carbón, el petróleo o el gas natural. Las secundarias, llamadas también útiles o finales, se obtienen a partir de las primarias mediante técnicas de transformación. La electricidad o los combustibles son dos buenos ejemplos.

TIPOS DE ENERGÍA

Los tipos de energía que usamos con mayor frecuencia son:

• Hidráulica. Se obtiene a partir del agua de los ríos. El agua se almacena en un embalse, y se deja caer desde gran altura sobre una turbina que al girar produce electricidad. Los mejores lugares para conseguirla son los saltos de agua de las presas.
• Solar. Se genera en el Sol por un proceso de fusión nuclear y llega a la Tierra en forma de radiación electromagnética. El sol es una fuente inagotable que se aprovecha para producir energía térmica o electricidad.
• Eólica. Es la energía generada por el viento. Fue una de las primeras que utilizó el ser humano, y hoy se emplea para el funcionamiento de molinos industriales, bombas y pequeñas dinamos.
• Biomásica. Se obtiene de los compuestos orgánicos formados por procesos naturales. Por ejemplo, el biogás procedente de la fermentación de residuos o el alcohol obtenido por transformación de azúcares, son fuentes de energía biomásica.
• Geotérmica. Es la energía que encierra la Tierra en forma de calor. El hombre la utiliza desde tiempos remotos. Para su obtención, se inyecta agua en el subsuelo de zonas donde el calor interno sea elevado. Al calentarse, el agua se transforma en vapor, que se utiliza para generar electricidad.
• Maremotriz. Se aprovechan las mareas para generar electricidad.
• Procedente de la combustión de carbón. El carbón es un combustible fósil, resultado final de una serie de transformaciones de restos vegetales que se acumularon durante el periodo Carbonífero de la Era Primaria. Existen cuatro tipos de carbón: antracita, hulla, lignito y turba.
• Procedente de la combustión de petróleo. El petróleo es otro combustible fósil, líquido, de color muy oscuro, formado por una mezcla de hidrocarburos acompañada de azufre, oxígeno y nitrógeno en cantidades variables.
• Procedente de la combustión de gas natural. El gas natural es una combinación de sustancias gaseosas combustibles: metano, etano, propano, butano, nitrógeno, dióxido de carbono, sulfuro de hidrógeno, helio y argón.

Energía nuclear o atómica

La energía nuclear, o energía atómica, se debe a dos fenómenos que producen la transformación de unos átomos en otros: la fisión nuclear y la fusión nuclear.

En la fisión nuclear, un núcleo pesado es bombardeado con neutrones hasta que se descompone en dos núcleos, siendo uno de ellos el doble de grande que el otro. Durante esta reacción se desprende gran cantidad de energía y se emiten dos o tres neutrones que, a su vez, pueden ocasionar más fisiones. Este efecto multiplicador se conoce con el nombre de reacción en cadena.

La fusión nuclear es la reacción opuesta. Dos núcleos muy ligeros se unen para formar un núcleo más pesado y estable, proceso en el que se libera gran cantidad de energía, superior a la liberada en un proceso de fisión. La necesidad de alcanzar altas temperaturas dificulta que la reacción se lleve a cabo con la tecnología actual.

Fisión Nuclear

La energía nuclear es potencialmente peligrosa. Esto significa que, si no se adoptan precauciones adecuadas, las radiaciones ionizantes que se desprenden en los procesos nucleares pueden perjudicarnos.

Ahora bien, la ciencia y la técnica han puesto en nuestras manos medios suficientes para que estos daños no se produzcan. Para ello, existe una reglamentación exhaustiva referente a la seguridad en las centrales nucleares. Pero por muy seguras que sean, las centrales nucleares producen unos residuos altamente tóxicos, que pueden convertirse en un grave problema medioambiental, ya que permanecen activos durante miles de años.

Ahorrar energía, un deber de todos

El consumo de energía es un índice que mide el desarrollo económico e industrial de los núcleos de población.

Aunque nuestras reservas de recursos energéticos son relativamente abundantes, no durarán indefinidamente. Desde el punto de vista económico, son bienes escasos y su producción es cara, por lo que es necesario evitar cualquier despilfarro. Esto significa que hay que evitar que se pierda energía durante su extracción, manipulación y transporte, y que debemos aprovecharla al máximo a través del ahorro individual y colectivo.

Consumo final por energías en Euskadi
Fuente	Unidades en ktep
Carbón y derivados	45
Derivados del petróleo	2.056
Gas natural	1.050
Energías derivadas	16
Energías renovables	263
Energía eléctrica	1.279

                              Ilustración 22Fuente: https://www.hiru.eus/es/geologia/la-energia

LAS LEYES DE LA TERMODINÁMICA Y LA INTERRELACIÓN CON LOS SERES HUMANOS

    Primera Ley de la Termodinámica

     Esta ley se expresa como:

 Eint = Q - W

Cambio en la energía interna en el sistema = Calor agregado (Q) - Trabajo efectuado por el sistema (W)

Para entender esta ley, es útil imaginar un gas encerrado en un cilindro, una de cuyas tapas es un émbolo móvil y que mediante un mechero podemos agregarle calor. El cambio en la energía interna del gas estará dado por la diferencia entre el calor agregado y el trabajo que el gas hace al levantar el émbolo contra la presión atmosférica.

Segunda Ley de la Termodinámica

La primera ley nos dice que la energía se conserva. Sin embargo, podemos imaginar muchos procesos en que se conserve la energía, pero que realmente no ocurren en la naturaleza. Si se acerca un objeto caliente a uno frío, el calor pasa del caliente al frío y nunca al revés. Si pensamos que puede ser al revés, se seguiría conservando la energía y se cumpliría la primera ley.

En la naturaleza hay procesos que suceden, pero cuyos procesos inversos no. Para explicar esta falta de reversibilidad se formuló la segunda ley de la termodinámica, que tiene dos enunciados equivalentes:

Enunciado de Kelvin - Planck: Es imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo, no produzca otro efecto que la absorción de energía desde un depósito y la realización de una cantidad igual de trabajo.

Enunciado de Clausius: Es imposible construir una máquina cíclica cuyo único efecto sea la transferencia continua de energía de un objeto a otro de mayor temperatura sin la entrada de energía por trabajo.

      TERCERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

Algunas fuentes se refieren incorrectamente al postulado de Nernst como "la tercera de las leyes de la termodinámica". Es importante reconocer que no es una noción exigida por la termodinámica clásica por lo que resulta inapropiado tratarlo de «ley», siendo incluso inconsistente con la mecánica estadística clásica y necesitando el establecimiento previo de la estadística cuántica para ser valorado adecuadamente. La mayor parte de la termodinámica no requiere la utilización de este postulado.

La 1 ley de la termodinámica( ENTALPÍA) establece que la energía no se crea ni se destruye sino que se transforma de una manera a otra, en relación con los sistemas vivos al incorporar materia orgánica esta se desmorona en moléculas orgánicas más sencillas y simples con producción de energía química indispensable para satisfacer todas las necesidades energéticas del organismo, un ejemplo d ello sería la respiración celular aerobia, por esta vía metabólica la materia orgánica incorporada es transformada en energía química ( ATP) necesaria para satisfacer todos los procesos de energía que el organismo lo requiera, o bien, una simple cadena trófica, en donde la materia orgánica producida por los Fotótrofos es degradada por los otros eslabones tróficos con producción de energía química y calórica, en el organismo vivo, la energía se transforma de una manera a otra, por ej., las luciérnagas utilizan el ATP para generar energía Bioluminiscente, la 2 ley de la termodinámica( ENTROPÍA), habla del grado de desorden o Aleatoriedad en los sistemas vivos, cuando ocurre una transformación de energía, parte de esa energía disponible es utilizada por el organismo y parte no, por ej., en la respiración celular aerobia, la energía química sintetizada por Fosforilación Oxidativa es retenida en el organismo para satisfacer sus funciones vitales y parte de la energía no Disponible, la calórica, se disipa hacia el exterior, en el caso de los Metazoos superiores, específicamente Aves y Mamíferos, al generarse energía calórica por "Combustión Biológica", la energía calórica es retenida en el organismo en proporciones bajas(40%), el resto se disipa como calor hacia el medio externo, esto explica la HOMEOSTASIS constante que poseen estos vertebrados, como son animales de sangre caliente( HOMEOTERMOS), el calor desprendido al Oxidar biológicamente un principio nutritivo hace que su medio interno sea constante a pesar de las variaciones climáticas en el ambiente externo, el desorden o ALEATORIEDAD de las moléculas en el ser vivo es producida por la energía calórica al transformase la materia en energía. (Cheverria, 2017)

   TERMODINÁMICA EN LOS SERES VIVOS

Los sistemas vivos necesitan energía para funcionar, es decir, son entidades termodinámicas en las que el proceso térmico se caracteriza por el flujo de energía en el interior del cuerpo, y entre el cuerpo y el ambiente que lo rodea. La temperatura el calor y la autorregulación en los seres vivos es uno de los “sistemas” más importantes ya que le da la posibilidad de adaptarse a diferentes situaciones que puede presentar, obvia mente cada ser vivo posee una manera diferente de llevarlo a cabo, ya puede ser por su especie, hábitat, tamaño, etc.

     TERMORREGULACIÓN

Los sistemas vivos necesitan energía para funcionar, es decir, son entidades termodinámicas en las que el proceso térmico se caracteriza por el flujo de energía en el interior del cuerpo, y entre el cuerpo y el ambiente que lo rodea. La temperatura el calor y la autorregulación en los seres vivos es uno de los “sistemas” más importantes ya que le da la posibilidad de adaptarse a diferentes situaciones que puede presentar, obvia mente cada ser vivo posee una manera diferente de llevarlo a cabo, ya puede ser por su especie, hábitat, tamaño, etc (Cheverria, 2017)