transformación de materiales y energia

 Origen, características y clasificación de los materiales

Origen de los materiales 

Un material es un artículo, elemento u objeto que tiene una presencia física tangible y posee características propias que lo distinguen de los demás. Desde el punto de vista técnico y tecnológico, los materiales son los elementos que habrán de transformarse para crear un producto, por ejemplo: el agua, una planta, una roca, una fruta, etcétera. 

Por su origen, existen dos tipos de materiales: naturales y sintéticos. 

Los materiales naturales son los que se encuentran libremente en la Naturaleza: rocas, agua y petróleo crudo. También aquellos que provienen de plantas, animales, bacterias y de cualquier otro ser vivo. Un material natural es la seda, producida por el gusano del mismo nombre; lo mismo que las semillas, el follaje y la piel de los animales, entre otros. 

Por conveniencia, se consideran materiales naturales los que se producen en las actividades agrícolas y ganaderas. Así, aunque la tela de algodón ya tiene cierto procesamiento, se le considera natural, porque el hilo se obtiene al trenzar el obtenido de la planta de algodón. 

Lo mismo sucede con las pieles de los animales con las que se confeccionan zapatos; durante el proceso de curtido, las pieles se secan y obtienen consistencia, pero en ningún momento son sometidas a procesos en que cambian su estado o su esencia. 

Por otra parte, los materiales sintéticos son producto de procesos técnicos que modifican por completo la naturaleza de los materiales originales. El caso del caucho resulta ilustrativo: es una goma resinosa que se extrae del árbol del mismo nombre; una vez que se le calienta y se le somete a procesos químicos se convierte en la materia fundamental de los neumáticos de una bicicleta, por ejemplo.

 1.1 Origen, características y clasificación de los materiales

Origen de los materiales 

Un material es un artículo, elemento u objeto que tiene una presencia física tangible y posee características propias que lo distinguen de los demás. Desde el punto de vista técnico y tecnológico, los materiales son los elementos que habrán de transformarse para crear un producto, por ejemplo: el agua, una planta, una roca, una fruta, etcétera. 

Por su origen, existen dos tipos de materiales: naturales y sintéticos. 

Los materiales naturales son los que se encuentran libremente en la Naturaleza: rocas, agua y petróleo crudo. También aquellos que provienen de plantas, animales, bacterias y de cualquier otro ser vivo. Un material natural es la seda, producida por el gusano del mismo nombre; lo mismo que las semillas, el follaje y la piel de los animales, entre otros. 

Por conveniencia, se consideran materiales naturales los que se producen en las actividades agrícolas y ganaderas. Así, aunque la tela de algodón ya tiene cierto procesamiento, se le considera natural, porque el hilo se obtiene al trenzar el obtenido de la planta de algodón. 

Lo mismo sucede con las pieles de los animales con las que se confeccionan zapatos; durante el proceso de curtido, las pieles se secan y obtienen consistencia, pero en ningún momento son sometidas a procesos en que cambian su estado o su esencia. 

Por otra parte, los materiales sintéticos son producto de procesos técnicos que modifican por completo la naturaleza de los materiales originales. El caso del caucho resulta ilustrativo: es una goma resinosa que se extrae del árbol del mismo nombre; una vez que se le calienta y se le somete a procesos químicos se convierte en la materia fundamental de los neumáticos de una bicicleta, por ejemplo.

Características de los materiales 

Cada material tiene un conjunto único de características que lo identifica: color, forma, consistencia, etcétera. Por ejemplo, el agua es transparente, adopta la forma del recipiente que la contiene y tiene consistencia líquida, entre otras características; en consecuencia, a partir de estas es posible definir un material.

Son las características de los materiales las que determinan también la función que desempeñarán en el producto final. En los climas fríos se usan materiales que conservan el calor del cuerpo, como las pieles, para confeccionar prendas de vestir protectoras. 

De la misma manera, cuando se elaboran herramientas y máquinas, se buscan materiales idóneos para la función que habrán de desempeñar. Imagina la cabeza de un martillo hecha con papel. 

Con el paso del tiempo, el ser humano ha desarrollado materiales cada vez más adecuados para la actividad en que se utilizarán. Primero, mediante aleaciones, en que se combinaban dos o más materiales para hacerlos más fuertes, consistentes o durables. Los primeros seres humanos observaron que al añadir una pequeña cantidad de carbón al hierro se obtenía acero, que es más resistente. Más adelante, al agregar cromo al acero, se logró que este ya no se oxidara, lo que produjo un material más durable: el acero inoxidable. 

Propiedades técnicas de los materiales

En un proceso de producción técnica o tecnológica, los materiales pierden sus características para transformarse en otro producto. Una vez cocinados, por ejemplo, los frijoles pierden su dureza y consistencia para volverse blandos y pastosos. Asimismo, adquieren un sabor distinto, típico.

En este caso, los materiales son parte de los insumos; es decir, los bienes consumibles que se utilizan para producir otros bienes.

En general, insumos son los materiales, la energía y los conocimientos que alimentan un sistema técnico. En el caso de los materiales, sus propiedades técnicas son las que determinan su uso y aplicación en un sistema ser humano-producto. 

El término propiedades técnicas alude a las características que determinan las modificaciones técnicas que puede experimentar el material durante su fabricación. A continuación, se definen las más importantes:

› Futilidad. Es la facilidad con que los materiales se pueden fundir. El hierro debe fundirse en un horno a altas temperaturas para volcarse en moldes donde, al enfriarse, adquiere la forma deseada, como la cabeza de un martillo. › Plasticidad. Se refiere a la facilidad con que los materiales pueden cambiar de forma sin romperse ni agrietarse. El hierro sólido difícilmente cambia de forma, a menos que se le caliente y se golpee con fuerza, como se hacía en la Antigüedad para fabricar objetos como hachas o herraduras. › Ductilidad. Es la facultad de algunos materiales para formar hilos. Por ejemplo, el cobre permite la creación de hilos finos, como los que se encuentran dentro de los cables de conducción eléctrica. › Maleabilidad. Es la capacidad de algunos materiales para extenderse en láminas delgadas. No solo los metales forman láminas; también lo hacen el papel, el plástico o, para el caso, la masa de maíz 

 1.2 Uso, procesamiento y aplicaciones de los materiales  naturales y los sintéticos 

Clasificación de los materiales por su uso

Las características de los materiales definen su uso. No se usaría cartón para hacer un cuchillo que corte carne. Al mismo tiempo, el uso determina la búsqueda y el desarrollo de nuevos materiales. En la industria textil todos los días se buscan componentes para producir telas más resistentes, que conserven mejor el color y que tengan un aspecto más agradable. En la figura 3.6 encontrarás otro caso en que las limitaciones impuestas favorecen el uso de nuevos materiales.

El uso de los materiales también se emplea como criterio para la clasificación. A la vez, esta 

clasificación es la que da origen a las industrias integradas en los distintos campos tecnológicos: las telas dan lugar a la industria textil; los metales, a la industria metalúrgica.

Sin embargo, debes considerar que hay materiales que se utilizan en más de una industria, como la madera, que se utiliza en la industria maderera y en la de la construcción. Al mismo tiempo, hay materiales que, una vez procesados, pasan a una industria diferente, como las láminas de metal provenientes de la industria metalúrgica que se utilizan en la industria automotriz.

Estos casos ilustran que las características de los materiales determinan su empleo, pero que el uso o la necesidad que se debe satisfacer también determina las características deseables de los materiales e, incluso, define sus procesos de modificación (figura 3.7). 

Lo mismo es cierto para las herramientas: las características de los materiales con que se elaboran definen su uso en el proceso productivo, pero las necesidades de transformación de los materiales también definen la búsqueda o el desarrollo de nuevos materiales para la elaboración de herramientas más idóneas. 

De este modo, con base en la relación abiótica entre las características y el uso de los materiales, el ser humano ha ido adecuando los sistemas técnicos a la existencia de los materiales naturales y, a la vez, ha utilizado los mismos sistemas técnicos para el desarrollo de nuevos materiales, sean naturales o sintéticos.

Procesamiento de materiales naturales y materiales sintéticos

Como hemos reiterado, con el fi n de satisfacer necesidades e intereses, el ser humano procesa los materiales para crear nuevos productos; es decir, los somete a un proceso de producción técnica o tecnológica, mediante el cual aprovecha las características de los materiales originales y las aplica a un producto final.

En un sistema tecnológico, los materiales son los insumos que se transforman por medio de la aplicación de gestos y acciones técnicas y por el uso de herramientas o máquinas.

Para el procesamiento de materiales naturales y sintéticos, se utilizan diversas técnicas, entre de ellas:

› Aplicación de calor. Abarca desde la simple cocción de alimentos hasta el uso de altos hornos para la fundición de metales. › Hilado. Alude al proceso para crear hilos a partir de materiales como la lana de las ovejas o la flor del algodón. › Mezcla o aleación. En este caso, dos o más materiales, al combinarse, adquieren una nueva característica. Por ejemplo, la mezcla de cemento, agua, grava y arena da lugar, una vez seca, al concreto

 Moldeado. Es un proceso similar al que viste en la actividad de la sección “Propiedades técnicas de los materiales”. Por lo general, los productos de plástico se crean con este proceso técnico. › Transformación química. Mediante procesos diversos, como la aplicación de elementos químicos reactivos, se transforman las características químicas de los materiales. Así es como, por ejemplo, el petróleo se transforma en plástico o gasolina. › Compresión. Merced a la aplicación de fuerza excesiva, se comprime un producto para que ocupe menos espacio, como en el caso de la madera aglomerada. › Torneado. Con el uso de un torno se da forma cilíndrica a un material, ya sea moldeándolo con las manos, como en el caso de la cerámica, o recortando las partes excedentes como se hace con un torno industrial. 

Nuevas aplicaciones de materiales naturales y sintéticos

El primer martillo debió de ser construido con madera y hierro. No sólo porque aún no se conocía el proceso técnico para la creación de aleaciones, sino porque el ser humano recurre, como primera instancia, a los materiales que tiene a la mano para satisfacer necesidades e intereses.

Lo mismo se puede decir del primer vestido, las primeras sandalias, etcétera. En los procesos de producción, los insumos básicos eran los materiales naturales. Así se crearon muebles de madera, casas de piedra, madera o barro, armaduras de metal, etcétera.

En general, el uso de las herramientas en los procesos de producción estaba dictado, también, por las limitaciones en los materiales naturales. Sin embargo, con el tiempo, surgieron las aleaciones; es decir, la mezcla de dos o más metales para crear un material nuevo, con mejores características que los materiales originales. 

Así, se llegó al acero, que es una mezcla de hierro y carbón y que, como ya se mencionó tiene más consistencia y dureza que el hierro solo. Pero el acero se usó, al principio, en el mismo tipo de productos en que se utilizaba el hierro: armaduras, armas y, por supuesto, herramientas. No obstante, las nuevas propiedades del material permitieron su aplicación en nuevos procesos y significaron un avance sustancial en los procesos técnicos de producción. Por ejemplo, las máquinas de vapor que dieron inicio a la Revolución industrial del siglo XVIII no hubieran sido posibles sin el desarrollo de este material. 

Esta es otra vertiente del avance de los procesos de producción técnicos y tecnológicos: las nuevas aplicaciones de materiales naturales y sintéticos, que llevan a nuevos productos finales, o a nuevas herramientas y máquinas que posibilitan la creación de nuevos sistemas técnicos (figura 3.10).

1.3 Previsión del impacto ambiental derivado de la extracción, el uso y el procesamiento de los materiales

Los productos de desecho de los procesos de producción

Al modificar la naturaleza de los materiales, los procesos de producción generan desechos. Un desecho es el residuo no útil originado por la transformación de un material. Cuando se fabrica una silla, por ejemplo, se recorta el molde de las partes y el resto de la tabla se convierte en virutas, astillas y sobrantes; se trata de desechos que el carpintero suele eliminar.

Los procesos de producción técnicos o tecnológicos dan lugar a otro tipo de desechos: los subproductos. Se trata de los compuestos no útiles que se generan al aplicar procesos químicos o industriales de manufactura de materiales sintéticos. Para elaborar aceites vegetales, por ejemplo, se someten enormes cantidades de productos diversos, como semillas, a procesos de fermentación y destilación, en que se usan distintos productos químicos. Como resultado se obtiene, por un lado, el aceite útil y, por el otro, diferentes productos, muchos de los cuales son tóxicos o explosivos y suelen 

desecharse en el drenaje

El impacto ambiental derivado de la actividad productiva

Impacto ambiental es la modificación del medio natural y humano. En general, todos los sistemas técnicos, al utilizar insumos para crear nuevos productos, generan un impacto ambiental. Cabe destacar que la modificación del entorno no siempre es negativa, aunque suele serlo. 

Para estudiar el impacto ambiental derivado de la actividad productiva, a continuación presentamos una breve clasificación de sus diferentes tipos.

Resultados esperados e inesperados de la extracción, el uso y el procesamiento de los materiales

Cuando el ser humano desarrolló la agricultura y empezó a retirar maleza y a talar árboles para preparar los primeros terrenos de cultivo, no estaba consciente de que producía un impacto permanente en el entorno. 

Muchos siglos después, cuando se inició la fabricación de muebles, además de dar un uso extenso a la madera para calentar hogares y preparar alimentos, el ser humano comenzó a crear pequeñas áreas de de-forestación.

Sin embargo, aún no había conciencia del impacto ambiental de esas acciones, como no la hubo al surgir la Revolución industrial a finales del siglo XVIII, que marcó el principio del empleo extenso de combustibles fósiles como el carbón.

Para alimentar aquellas grandes industrias, se empezaron a extraer enormes cantidades de carbón. Inconscientes del daño ambiental, el producto de la combustión se lanzaba al aire y los desechos debidos al procesamiento de materiales se arrojaban a los ríos o en terrenos baldíos, así se creaban efectos acumulativos (figura 3.13).

Por supuesto, todos los resultados obtenidos de la extracción, el uso y el procesamiento de los materiales eran inesperados. Pasó mucho tiempo antes de que se relacionara la contaminación del aire con las enfermedades respiratorias que afectaban la calidad de vida de las personas que vivían cerca de las industrias.