El equilibrio del universo
El universo está en constante equilibrio. La atracción gravitacional del sol mantiene a los planetas en órbita, permitiendo que la vida continúe en la Tierra. La gravedad de la Tierra mantiene a sus organismos conectados a tierra para que puedan seguir viviendo y prosperando. Incluso dentro de los sistemas biológicos, las células permanecen en equilibrio, equilibrando la cantidad de agua y otros minerales que absorben.
La Ley de Conservación de la Masa establece que la materia no se puede crear ni destruir. Este concepto se ha expandido más ampliamente para afirmar que la energía no se puede crear ni destruir (la Primera Ley de la Termodinámica ). Si bien la energía se puede transformar, sigue siendo parte de un sistema. El universo, como sistema, transforma continuamente la energía para permanecer en un estado de equilibrio.
Entonces, ¿cómo se extienden los conceptos de equilibrio a lo largo de la ciencia y las matemáticas? Vamos a ver.
Equilibrio químico
En los campos de la ciencia y las matemáticas, el equilibrio es el estado en el que las fuerzas están equilibradas. Desde una perspectiva química, esto significa que una reacción química y su reacción inversa ocurren a velocidades iguales.
Por ejemplo, suponga que la sal de mesa (NaCl) se disuelve en agua. Parte del cloruro de sodio se descompondrá en iones, Na + y Cl – . Sin embargo, no todo el NaCl se convertirá en iones; algunos permanecerán unidos.
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En equilibrio, la cantidad neta de iones y cloruro de sodio enlazados permanecerá sin cambios. Los iones de Na + y Cl – se unirán a la misma velocidad que otras moléculas de NaCl se separan. A esto se le llama equilibrio químico. Este proceso se puede expresar mediante la ecuación química:
- NaCl ↔ Na + + Cl –
La flecha doble muestra que la ecuación química ocurre tanto en la dirección de avance como en la inversa.
Equilibrio en matemáticas
Las matemáticas también usan la idea de equilibrio al resolver ecuaciones. Considere la ecuación:
4 x + 7 = 27
Para poder resolver esta ecuación, debes saber que el signo igual significa que los dos lados de la ecuación están actualmente en equilibrio. Si realiza un cambio en un lado de la ecuación sin cambiar el otro, el equilibrio se destruye. Por lo tanto, si se realiza una operación en un lado de la ecuación, también debe realizarse en el otro lado.
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Para aislar el término variable, 4 x , use el inverso aditivo de -7 en cada lado de la ecuación. Esto mantiene el equilibrio.
4 x + 7 = 27
4 x = 20
4 x es igual a 20 ahora y aún se mantiene el equilibrio. Ahora, podemos terminar de aislar la variable dividiendo por cuatro (el coeficiente) en cada lado. Nuevamente, esto debe hacerse en ambos lados de la ecuación para que se conserve el equilibrio.
4 x = 20
x = 5
Una vez que la variable está aislada, ahora podemos ver que x es 5. Reemplazando este valor para x en la ecuación original, está claro que el equilibrio se ha mantenido y la ecuación está balanceada.
Equilibrio de ecuaciones químicas
Una vez más, la materia no se puede crear ni destruir de acuerdo con la Ley de Conservación de la Masa. En un proceso químico, los átomos y las moléculas se rompen y se vuelven a formar para formar nuevos iones, átomos o moléculas. Esto se puede ver a través del proceso de equilibrar ecuaciones químicas.
Por ejemplo, el propano es un hidrocarburo inflamable que se utiliza en muchas parrillas de barbacoa. Al encenderlo, el propano se quema y reacciona con el oxígeno del aire. Esto produce dióxido de carbono y agua.
- Propano + Oxígeno → Dióxido de carbono + Agua
- C 3 H 8 + O 2 → CO 2 + H 2 O
Sin embargo, si miramos esta ecuación, hay tres átomos de carbono en el lado izquierdo de la ecuación y solo un átomo de carbono en el lado derecho. ¿A dónde fueron los otros dos átomos de carbono? No pueden simplemente desaparecer, por lo que de alguna manera tenemos que mostrar qué pasó con estos átomos. Necesitamos equilibrar la ecuación para mostrar que aún se mantiene el equilibrio.
Esto se puede hacer agregando coeficientes (una constante numérica que se coloca delante de una variable o término que se multiplica por ese término). En química, el coeficiente muestra cuántas moléculas de esa molécula reaccionan o se producen.
Cuando el propano se quema, una molécula de propano en realidad crea tres moléculas de dióxido de carbono. Los átomos todavía están allí, simplemente se dividen en moléculas más pequeñas. Podemos representar esto con el coeficiente 3 delante de la molécula de dióxido de carbono.
- C 3 H 8 + O 2 → 3CO 2 + H 2 O
Ahora los átomos de carbono están equilibrados, pero ¿qué pasa con los átomos de hidrógeno y oxígeno? Sabemos que la molécula de propano se divide y forma moléculas más pequeñas. Entonces, los ocho hidrógenos que originalmente formaban parte de la molécula de propano también deben dividirse. Vemos que forman agua. Entonces, ¿cuántas moléculas de agua pueden formar?
El agua de pozo tiene dos hidrógenos y un oxígeno, por lo que los ocho hidrógenos del propano pueden formar cuatro moléculas de agua. El agua tendrá un coeficiente de cuatro.
- C 3 H 8 + O 2 → 3CO 2 + 4H 2 O
Ahora solo es necesario equilibrar el oxígeno. Hay diez átomos de oxígeno en total en el lado derecho de la ecuación (seis del dióxido de carbono y cuatro del agua). Esto significa que también debe haber diez oxígenos en el lado izquierdo de la ecuación. Debe haber un coeficiente de cinco.
- C 3 H 8 + 5O 2 → 3CO 2 + 4H 2 O
Esta ecuación ahora está equilibrada. Toda la materia con la que comenzamos se conserva, solo cambia de forma. Tenemos tres átomos de carbono, ocho átomos de hidrógeno y diez átomos de oxígeno en ambos lados de la ecuación.
Resumen de la lección
El universo está en constante equilibrio, donde la materia y la energía siempre cambian de forma. La Ley de Conservación de la Masa y la Primera Ley de la Termodinámica establecen que la materia y la energía, respectivamente, no se pueden crear ni destruir. Cuando las ecuaciones o procesos están equilibrados, se dice que están en equilibrio . Esto se puede ver al equilibrar los coeficientes de una ecuación química o al resolver ecuaciones algebraicas.
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