Lee el siguiente texto en el que se presentan los distintos periodos

Lee el siguiente texto en el que se presentan los distintos periodos

Lee el siguiente texto en el que se presentan los distintos periodos por los que ha pasado el
Universo según las sucesivas fases de enfriamiento y contesta a las cuestiones, apoyando tus
respuestas en la teoría.
EL ENFRIAMIENTO DEL UNIVERSO POR EXPANSIÓN LIGADO A SU COMPORTAMIENTO.
Los gases, al expandirse, se enfrían; ese es el fundamento de los frigoríficos. Algunos
científicos describen el Universo como un gigantesco frigorífico que se enfría debido a su
permanente expansión. Las circunstancias del primer instante, el Big Bang al que los
cosmólogos suelen llamar “tiempo cero”, son desconocidas. Se supone una singularidad,
término matemático asociado a este caso con valores de la densidad, presión y temperatura
infinitos.
Sobre las bases de las observaciones actuales se supone que el Universo tiene entre 10.000 y
20.000 millones de años. Por extrapolación, retrocediendo en el tiempo, solo se puede
pretender conocer con exactitud hasta el primer segundo después del principio. Sin embargo,
sin poder afinar en los valores cuantitativos con precisión, no son descabelladas
aproximaciones un poco más lejos de este momento. Vamos a dividir en fases de enfriamiento
los períodos por los que va pasando el Universo.
Primera fase: Es la primera fase del enfriamiento, el Universo pasa por un estado uniforme
con mínimas irregularidades, con igual temperatura, densidad y presión en toda su extensión.
En este equilibrio térmico se establece un equilibrio dinámico entre la creación de materia a
partir de la radiación electromagnética, que es energía y la aniquilación de la materia para
pasar a radiación, según la ecuación de Einstein E = m.c2, donde E es la energía que se obtiene
cuando se aniquila una masa m, o m es la masa que se crea a partir de una energía E. El tipo
de partículas que se encuentran en esta fase de enfriamiento son los quarks (componentes de
nuestros actuales protones y neutrones), neutrinos, electrones y todos moviéndose a una
velocidad inmensa, como corresponde a su gran temperatura. Todo este período de tiempo se
encuentra antes del primer segundo.
Segunda fase: Al seguir enfriándose, en torno a 0,1 segundos después del Big Bang, con
temperaturas del orden de 31.500 millones de oK, los quarks, que han disminuido su velocidad
al estar a menos temperatura, logran unirse, gracias a las interacciones fuertes (fuerzas que
actúan solo a distancias nucleares y que ligan los quarks para formar protones y neutrones o
los protones y neutrones para formar núcleos), y formar protones y neutrones, partículas que
constituyen los núcleos atómicos. Este proceso llega aproximadamente hasta a un segundo
desde el inicio del Big Bang, a partir del cual las pruebas que se tienen de los procesos, como
anteriormente se ha indicado, son más fiables.
Tercera fase: Al cabo de un segundo del Big Bang, en que la temperatura había descendido
hasta unos 10.000 millones oK, y hasta los tres o cuatro minutos después, tiene lugar la
nucleosíntesis: como los protones y neutrones llevan velocidades menores por hallarse a
menos temperatura, pueden llegar a formar núcleos ligeros, unidos también con interacciones
fuertes. Los núcleos que se forman son el hidrógeno, el helio y el litio, pero ninguno más, ya
que la temperatura no es suficiente para formar núcleos más pesados.
Cuarta fase: La temperatura sigue descendiendo, y también lo hace la velocidad media de las
partículas que hay en el Universo. Al cabo de unos 300.000 años, el Universo se enfrió lo
suficiente como para que las fuerzas electromagnéticas fueran capaces de atraer a los
electrones en torno a los núcleos y formar así los átomos neutros de los núcleos que había, es
decir, los átomos de hidrógenos, de helio y de litio. A este proceso se le llamó recombinación.
Por otro lado, un gas de átomos eléctricamente neutros es muy transparente a la radiación, la
deja pasar sin interactuar con ella, de modo que ésta se ha desplazado desde 300.000 años
después del Big Bang hasta el presente. Podemos decir que la radiación de fondo cósmica nos
ofrece una instantánea del Universo solo 300.000 años después del Big Bang.
Quinta fase: La materia neutra formada, cada vez a menor temperatura, se va compactando
por la gravedad en torno a las pequeñas irregularidades de la primera fase hasta formar
estrellas. En ellas se originan reacciones nucleares, donde los núcleos ligeros que se habían
formado en la tercera fase dan lugar a otros de mayor número atómico con gran liberación de
energía, que mantienen temperaturas muy elevadas dentro de las estrellas. Todos los
elementos que no son hidrógeno, helio y litio se originaron en el interior de las estrellas.
Después, estos materiales pasados son lanzados al espacio como ocurre, por ejemplo, al
terminar la vida de algunas estrellas, como es el caso de las supernovas.
Preguntas
a) ¿Cuándo sentirás más frío en la mano: cuando soplas sobre ella con la boca lo más cerrada
posible, de forma que el aire se expande al salir, o cuando lo haces con la boca abierta, de
manera que el aire sale sin expandirse? Explica la razón apoyándote en las leyes de los
gases. Busca la ley que predice este comportamiento y escribe su expresión matemática.
b) ¿Por qué la formación de los átomos de hidrógeno y helio se retrasó hasta unos 300.000
años después de la formación del Universo y no tuvo lugar desde el principio? Haz un
esquema de la estructura de los primeros átomos formados.
c) Calcula la energía, expresada en julios, que se obtendría al aniquilarse un gramo de masa.
¿Cuánta energía se produce de esta forma en el Sol cada segundo? Indica una aplicación
práctica de la transformación de masa en energía ideada por el ser humano.
d) Busca en la web la composición química de algún meteorito (indicando, si es posible, la
fecha y el lugar donde cayó) y a partir de ella deduce en qué fase de las descritas se ha
producido.
e) Según las fases descritas en el texto, la vida tal como la conocemos en nuestro planeta no
pudo surgir antes de la quinta fase. Explica los motivos de esta afirmación y razona si sería
posible que antes de esta quinta fase hubiera surgido algún otro tipo de vida.
Criterios de calificación:
 Coherencia de la respuesta con el argumento utilizado.
 Ajustar la respuesta a la pregunta, debe ser completa sin divagaciones ni información
superflua.
 Originalidad en la respuesta, utiliza las fuentes de información pero elabora tu propia
respuesta, Huye del “copia-pega”.
 Siempre que sea posible, apoya tus argumentos con expresiones matemáticas, cita tus
fuentes de información de la forma más precisa posible.
RESPUESTAS
a) En el caso planteado, podemos considerar que la cantidad de gas (aire) expulsada es la
misma que tenemos en la boca, por lo que se puede considerar que es constante.
En la primera prueba el aire disminuye de presión al salir, su volumen aumenta al expandirse
pero podemos suponer que durante los primeros 1 ó 2 segundos, que es cuando realizamos la
prueba, no ha tenido tiempo de expandirse y consideramos entonces el volumen constante
también. Los parámetros que pueden variar significativamente son la presión y la temperatura,
cuya relación nos viene dada por la Ley de Gay-Lussac: “La presión ejercida por un gas es
directamente proporcional a su temperatura”. Su expresión matemática es:
O bien
Donde K es una simple constante de proporcionalidad.
Como la presión del gas disminuye al salir, su temperatura también lo hace.
En la segunda prueba la presión se mantiene constante, ya que no hemos comprimido el aire en
la boca, y la temperatura es la misma a la que estaba en los pulmones.
Conclusión: si soplamos con la boca muy cerrada, estamos comprimiendo el aire, que al salir
se expande y se enfría, lo que no ocurre si soplamos con la boca abierta. Notaremos el aire más
frío en el primer caso y más cálido en el segundo.
b) El Universo tardó unos 300.000 años en enfriarse lo suficiente para permitir que se formaran
los primeros átomos.
Por debajo de 31.500 millones de grados kelvin, la velocidad de las partículas permite que los
quarks se unan para formar protones y neutrones (0,1 segundos después del Big Bang).
Cuando la temperatura desciende por debajo de los 10.000 millones de grados kelvin (1
segundo después del Big Bang), la velocidad de las partículas es lo bastante baja como para
que las fuerzas nucleares mantengan unidos los protones y neutrones, formando núcleos
ligeros.
Fue necesario que transcurrieran 300.000 años para que la velocidad descendiera lo suficiente
como para que las fuerzas electromagnéticas fueran capaces de retener los electrones en torno a
esos núcleos y formar los primeros átomos de hidrógeno, helio y litio.
Elemento
Núcleo
Corteza
+
+
0
Hidrógeno
1p 1p +1n
1s1
Helio
2p++2n0
1s2
+
0
Litio
3p +4n
1s2,2s1
c) La energía desprendida al aniquilarse una cierta cantidad de masa viene determinada por la
fórmula de Einstein:
E = m.c2
Donde m es la masa aniquilada (en Kg) y c la velocidad de la luz (3.108 m/s).
Para una masa de un gramo:
E = 10-3.(3.108)2 = 9.113 Julios
En el Sol se aniquilan 4 millones de toneladas de materia por segundo (*), es decir, 4.109 Kg.
La energía desprendida será:
E = 4.109.(3.108)2 = 36.1025 Julios
(*) Fuente: serie de vídeo “En el espacio”, capítulo 3.
d) La respuesta depende de la composición del meteorito elegido.
e) Aunque la respuesta a esta pregunta es muy abierta, voy a basarme en los siguientes
principios:
La vida se basa en las biomoléculas, cuya característica común es que su base son cadenas de
carbono.
Para formar cadenas diferentes, un átomo debe ser capaz de formar al menos tres enlaces, es
decir, debe tener al menos tres electrones en su última capa. El elemento más pequeño que
cumple esta característica es el boro (1s2, 2s2, 2p1).
Ninguno de los elementos formados antes de la quinta fase (hidrógeno, helio y litio) posee esta
característica.
Por muy simple que sea el tipo de vida, no sería posible con los elementos formados durante la
cuarta fase, por lo tanto no sería posible antes de la quinta fase, cuando en las estrellas se
formaron átomos más complejos.