Al cabo de un año de funcionamiento, en un reactor nuclear de 3000 Mw de potencia, se liberan 9,4·1016 julios. Eso supone que en ese tiempo 1,046 kg de masa se ha transformado en energía: Δm = ΔE/c2
Esta cantidad es insignificante si se compara con las 20 toneladas de uranio enriquecido que hay que recargar en ese reactor cada año. El corazón de este reactor puede contener en total 80 toneladas de uranio enriquecido.
La Química es la ciencia que estudia las propiedades de la materia y sus transformaciones. Por eso es tan importante que tratemos estos conceptos.
¿Qué entendemos por materia?
PRIMERA APROXIMACIÓN
Aceptada hasta comienzos del siglo XX
MATERIA: Sustancia de la que están hechos todos los objetos que nos rodean
La materia tiene volumen y masa, es decir, ocupa un espacio y manifiesta inercia (por eso pesa en presencia de un campo gravitatorio)
La materia esta formada por partículas. La masa de un objeto material es la suma de las masas de las partículas que lo forman.
Las radiaciones (luz visible, rayos X, ...) no son materiales. No tienen masa
Un balón es un objeto material, está formado por materia en forma de partículas. También el césped, la portería y el aire. Por el contrario, la luz es una forma de radiación, no es material, es energía pura, no está formada por materia.
TODO OBJETO MATERIAL TIENE VOLUMEN Y MASA
En consecuencia, dos objetos no pueden ocupar el mismo espacio. Si queremos colocar algo material donde ya existe materia, deberemos desalojarla antes.
Otra característica de la materia es la de poder sufrir cambios, por ejemplo, la materia puede cambiar de estado
MASA: Es una magnitud física que mide de la cantidad de materia de un objeto por medio de su inercia. Su unidad en el SI es el kilogramo.
¿Cómo se mide la masa?
La unidad de masa en el SI es KILOGRAMO.
Hasta el 20 de mayo de 2019 un kilogramo era la masa que tiene el prototipo internacional de una aleación de platino e iridio que se guarda en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM) en Sèvres, (Francia).
Desde esa fecha el kilogramo es la masa de un objeto que al ser pesado en una balanza de Kibble ideal, devuelve el valor 6,62607015x10-34 Js para la constante de Planck.
Para medir la masa de un cuerpo podemos utilizar dos métodos:
MÉTODO 1: Masa inercial
Aplicamos la misma fuerza al cuerpo de masa desconocida y a un cuerpo de masa conocida. Medimos las aceleraciones sufridas por ambos cuerpos. La relación entre las aceleraciones es inversamente proporcional a la relación entre las masas.
F = m· a
por tanto, m = F/a
y m1/m2 = a2/a1
MÉTODO 2: Masa gravitatoria
En la práctica es más fácil comparar el peso del cuerpo de masa desconocida con el peso de un cuerpo de masa conocida. Para ello usamos la balanza. No es lo mismo masa que peso.
Pues bien, por lo que sabemos hasta hoy las masas inercial y gravitatoria son idénticas. Es lo que se denomina el principio de equivalencia débil . Ver enlace. Solo hay una masa.
¿PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA MASA O PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA MATERIA?
A.1. Desde este punto de vista, ¿qué expresión es más apropiada: Principio de Conservación de la materia o Principio de Conservación de la masa?
Desde el punto de vista clásico, el principio de conservación de la materia es idéntico al de conservación de la masa. Solo la materia tendría inercia y, por tanto, masa. Conservar la masa en un sistema sería idéntico a conservar la cantidad de materia.
Este es el sentido que tiene el Principio de Conservación de la Masa de Lavoisier explicado por Dalton. La masa se conserva en una reacción química porque, antes y después de que ocurra, hay los mismos átomos (bolas de materia) en el sistema. La masa es utilizada como medida de la cantidad de materia.
- Estados de agregación de la materia
-Clasificación de la materia: sustancias puras y mezclas
- Métodos de separación de mezclas
- ¿Qué es un elemento químico (versión Lavoisier)?
SEGUNDA APROXIMACIÓN
No es lo mismo masa que cantidad de materia
IMPORTANTE ACLARACIÓN:
Tanto la materia como la energía poseen inercia
Lo sabemos por los estudios de Einstein (E=mc2) a comienzos del siglo XX (Teoría de la Relatividad). La inercia, por tanto, no es un distintivo exclusivo de lo que llamamos materia. Tanto la materia como la energía manifiestan inercia.
Una clara demostración de ello es que la presencia de un campo gravitatorio provoca que la trayectoria de un rayo de luz se desvíe.
El rayo de luz no tiene masa pero tiene inercia. La energía manifiesta inercia
¿Se puede medir la cantidad de materia a través de la inercia?
La masa de, por ejemplo, un protón no es la misma en reposo que en movimiento. Su inercia cambia con el movimiento, aumenta con la velocidad, es decir, con la energía cinética. Si asumimos que la cantidad de materia de un protón no cambia con el movimiento ¿qué estamos midiendo a través de la inercia?
Hasta ahora se había asumido que la cantidad de inercia es proporcional a la cantidad de materia que posee. Pero eso no es verdad.
Debe quedar claro que cuando medimos la masa de un objeto material mediante la inercia estamos cuantificando la cantidad total de materia y energía que posee. Por eso, en muchas ocasiones nos referimos a la masa en reposo de las partículas. De esta forma intentamos diferenciar entre la "masa" asociada al movimiento y la "masa" debida a la materia.
OJO: LA CANTIDAD DE MATERIA NO ESTÁ MEDIDA POR LA MASA YA QUE ESTA MAGNITUD ESTÁ AFECTADA TANTO POR LA MATERIA COMO POR LA ENERGÍA DE LOS CUERPOS.
No es lo mismo masa que cantidad de materia
La masa es una magnitud fundamental que mide la inercia de un objeto, es decir, la cantidad total de materia y energía que posee.
El término cantidad de materia es confuso y no debería utilizarse. Debe hablarse de la masa.
A.2. Desde este punto de vista, más actual, ¿qué expresión es más apropiada: Principio de Conservación de la materia o Principio de Conservación de la masa?
Desde este punto de vista, coherente con la Teoría de la Relatividad, el principio de conservación de la masa no sería equivalente al principio de conservación de la materia salvo cuando los efectos energéticos fueran despreciables, es decir, el sistema se encuentre a baja temperatura y se mueva a bajas velocidades.
Eso es lo que pasa en las reacciones químicas ordinarias, pero no en las reacciones nucleares. En las primeras, la energía intercambiada con el medio, es insignificante comparada con la masa de las sustancias involucradas. En las segundas no es así, el componente energético es del orden de la masas de las partículas que intervienen en el proceso. En este caso solo podemos hablar del principio de conservación de masa-energía.
MATERIA Y PARTÍCULAS
A lo largo del siglo XX la distinción entre materia y radiación se hizo menos clara. La mecánica cuántica demostró la dualidad onda-partícula, es decir, las partículas como el electrón se pueden comportar como ondas y la luz (onda) se puede comportar como partícula (fotón). Además, la teoría de la relatividad de Einstein conduce a la famosa ecuación E = m c2. Con ella sabemos que masa y energía son intercambiables.
Hoy día sabemos que la materia está formada por partículas, pero el proceso de identificación ha sido complicado. A principios del siglo XIX se descubrieron los átomos y las moléculas. Con ellos se explican las propiedades químicas de los materiales. A principios del siglo XX se descubrieron protones, neutrones y electrones dentro de los átomos. Esto permitió entender el núcleo del átomo y los procesos en los que interviene (energía nuclear). Por último, en la década de los 60 del siglo XX se descubrió que había otro nivel de partículas: los quarks. A día de hoy se cree que no hay nada más pequeño que los quarks y los leptones (electrón y hermanos).
El modelo estándar recoge las partículas que forman toda la materia (normal o visible)
Sin embargo, esta materia (normal) que forma todo lo que conocemos, no es la única que existe en el universo. El estudio del movimiento de las galaxias ha puesto de manifiesto que la materia normal solo supone el 4 % de toda la que existe. Además de ella, hay un 21 % que denominamos materia oscura. No sabemos lo que es ni de qué partículas está formada. Nos rodea pero no interacciona con la materia normal salvo por la gravedad. El 75 % restante del universo es algo que llamamos energía oscura.
ORIGEN DE LA MASA
En la visión clásica de las partículas se sobreentendía que si una partícula tenía más masa que otra era porque la primera poseía más materia que la segunda. Si la masa del protón (en reposo) era 1836 veces menor que la del electrón era porque en el primero había 1836 veces más materia que en el segundo.
Sin embargo, esta forma de pensar debe ser abandonada. Desde que se confirmó la existencia del bosón de Higgs (4 de julio de 2012) sabemos que la masa de una partícula está producida por su acoplamiento con el campo de Higgs. El protón tendría más masa que el electrón porque su acoplamiento (interacción) con el campo de Higgs es mayor que en el caso del electrón.
El campo de Higgs se extiende por todo el espacio. La masa de las partículas estaría causada por una «fricción» con el campo de Higgs, por lo que las partículas que tienen una «fricción» mayor con este campo tienen una masa mayor.
Las partículas que no interaccionan con ese campo, por ejemplo el fotón, no tienen masa y se mueven a la velocidad de la luz.
Por otra parte, si no existiera el campo de Higgs, las partículas no tendrían masa y se moverían a la velocidad de la luz. En ese caso no hubieran podido agregarse y formar las estructuras (estrellas, planetas, ...) que hoy día observamos.