En esta entrada se trató acerca de la temperatura más baja que se puede alcanzar: el cero absoluto. Ahora, el buen curioso se pregunta: ¿Y la más alta?
La energía interna es la energía que una sustancia contiene en su interior debido al hecho de que sus átomos y moléculas están en movimiento. Y la temperatura es un concepto inventado por el hombre para asignar un número a esa energía, de manera que podamos comparar o establecer aumentos o disminuciones.
Entonces una mayor temperatura se corresponderá a una mayor velocidad de vibración, de desplazamiento y de choque de los átomos y moléculas que forman la sustancia. Y si existe límite a la temperatura que se puede alcanzar vendrá determinado por un máximo de velocidad.
¿Existe ese límite de velocidad para el desplazamiento de las partículas atómicas? Veamos antes qué sucede al calentar un sólido añadiéndole energía calorífica.
En primer lugar se operará un cambio de estado y el sólido se fundirá en un líquido, situación en la que las moléculas gozarán de más libertad de movimiento y podrán seguir aumentando su velocidad. Después se operará un nuevo cambio de estado físico y el líquido se evaporará convirtiéndose en vapor o gas, en una condición en la que sus átomos y moléculas se moverán rápida y libremente en todas direcciones.
Si la sustancia está compuesta de moléculas, tarde o temprano éstas se desharán en fragmentos más pequeños o en átomos como resultado de las violentas colisiones y la elevada velocidad. Incluso los átomos se romperán a una temperatura lo suficientemente alta, con los electrones arrancados de sus órbitas y los núcleos atómicos disgregados, dando como resultado un hirviente y fluido infierno de electrones libres y fragmentos atómicos cargados, que conocemos con el nombre de plasma y que muchos califican de cuarto estado de la materia.
¿Podemos seguir calentándolo? Sí, pero hasta un límite. Hasta que esas partículas alcancen la máxima velocidad posible en el Universo: la velocidad de la luz en el vacío. Una velocidad fijada en 1.080 millones de Km/h (300.000 Km por segundo).
La Teoría de la Relatividad de Einstein nos explica que cualquier objeto, un electron por ejemplo, puede aproximarse a la velocidad de la luz pero no alcanzarla. También que conforme una partícula se mueve más rápidamente se vuelve más pesada. Así que ha de existir un límite antes de que las partículas de un plasma alcancen la velocidad de la luz y un peso infinito. Consideraciones teóricas sitúan esa temperatura en 14×10^31 grados.
No se puntualiza si Fahrenheit o Celsius, pero a esos niveles… ¡qué más da!
Nota sabionda: Este estado de agregación fue identificado por primera vez por Sir William Crookes en 1879, y fue denominado plasma por Irving Langmuir.
Nota sabionda: El estado de plasma es más corriente de lo que parece. De hecho, la mayor parte de la materia del Universo visible se encuentra en estado de plasma. La materia de las estrellas y las nebulosas, por ejemplo, se encuentra en ese estado merced a las elevadas temperaturas.
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El cero absoluto es el cero en la escala Kelvin, el equivalente a -273,15º C, pero… ¿qué significa? ¿la ausencia de calor? ¿la temperatura más baja posible?
Primero es necesario distinguir entre energía interna, calor y temperatura, para aclarar ideas. El calor La energía interna es la energía que una sustancia contiene en su interior debido al hecho de que sus átomos y moléculas están en movimiento. El calor es el flujo o transferencia que se da de forma espontánea entre dos cuerpos de diferente energía interna. Y la temperatura es un concepto inventado por el hombre para asignar un número a esa energía, de manera que podamos comparar o establecer aumentos o disminuciones.
Así, cuando decimos que aumenta la temperatura de una sustancia, que se calienta, lo que decimos realmente es que sus átomos y moléculas se mueven más rápido porque se le ha añadido energía calorífica. Y cuando decimos que la temperatura disminuye, que la sustancia se enfría, lo que decimos realmente es que sus átomos y moléculas se mueven más lentamente porque pierden energía calorífica.
Tanto la escala Celsius como la Fahrenheit nos proporcionan una medida de esa variación energética, pero no marcan sus límites referidas a ese movimiento molecular, sino a otros fenómenos. Por ejemplo, la escala Celsius tiene el 0 en el punto de congelación y 100 en el punto de ebullición del agua. Y la Fahrenheit cifra esos mismos sucesos físicos en 32 y 212 grados. La esencia del problema es que ninguna de las dos escalas de temperatura contempla el cero de contenido calorífico, la total ausencia de calor.
Lord Kelvin (1824-1907), aristócrata y científico británico, preparó una escala de temperaturas que comienza en la nada de calor, en la situación en que una sustancia es tan fría como puede llegar a ser, en el cero absoluto. Cuando los átomos y las moléculas de la sustancia dejan de moverse por completo y no hay ninguna energía calorífica.
Nota sabionda: En realidad el movimiento atómico y molecular no se detiene del todo en el cero absoluto. Según la mecánica cuántica siempre queda una pequeña porción de energía residual, llamada energía de punto cero, para poder así cumplir el principio de indeterminación de Heisenberg. El cero absoluto no puede ser alcanzado aunque se han realizado experimentos que se han acercado a unas billonésimas de grado de él.
Nota sabionda: Según la teoría a esa temperatura un gas se solidificaría y se encogería tanto con el frío que llegaría a desaparecer.
Nota sabionda: A temperaturas cercanas al cero absoluto se dan fenómenos especiales en la materia, como son la superconductividad y la superfluidez.
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Si exhalamos aire con la boca abierta, el aire expulsado es caliente. En cambio, si lo soplamos juntando los labios, el aire expulsado es frío. Esto es algo fácilmente comprobable con un gesto tan sencillo como colocar la palma de la mano frente a la boca y expulsar aire con la boca abierta o prácticamente cerrada. Y es algo tan simple que desde bien pequeñitos aprendemos la diferencia entre el aliento cálido y el soplido fresquito.
Como el aire proviene del interior de nuestros pulmones, se encuentra aproximadamente a la temperaturea corporal y al dejarlo salir sin cortapisas por la boca abierta, es aire caliente. Útil para empañar el cristal de unas gafas antes de limpiarlas, calentar las manos ateridas de frío o intentar subir la temperatura del termómetro para simular fiebre.
La sola modificación de la abertura bucal le imprime más velocidad, sin que hagamos ningún esfuerzo suplementario. Así soplamos velas, obtenemos pompas de jabón o hacemos girar un molinillo de papel. Pero también baja su temperatura, lo que nos es muy útil para enfriar la sopa o un guiso demasiado calientes, para calmar la piel en una pequeña quemadura o el escozor del alcohol en una herida.
Pero… ¿a qué se debe ese cambio de temperatura?
Cuando soplamos mantenemos la boca casi cerrada, de forma que el aire se ve obligado a salir por una abertura mucho más estrecha. Y cuando un fluido con caudal constante pasa de un conducto de mayor sección a otro de menor, necesariamente su velocidad aumenta, según nos indica la dinámica de fluidos, en concreto el efecto Venturi. Y si la energía cinética, que viene determinada por la velocidad, aumenta, la energía determinada por el valor de la presión ha de disminuir forzosamente, según el teorema de conservación de la energía o principio de Bernoulli.
Al encontrarse fuera de la boca y a presión más reducida, el aire se expande. El efecto Joule-Thomson nos dice que si un gas se expande libremente, su temperatura disminuye, pues la distancia entre sus moléculas es mayor y su energía se diluye en un mayor volumen. Por tanto, el aire del soplido tiene una temperatura inferior a la del aliento.
Nota sabionda: A la hora de soplar para enfriar, por ejemplo, una taza de café, el mecanismo es más complejo. Las moléculas del líquido caliente tienen más energía. Al moverse más rápidamente chocan con mayor frecuencia con las moléculas del aire que está sobre el líquido, transmitiéndoles su energía y su calor. Por ello la parte superior del líquido se enfría.
El calor dilata los cuerpos, lo que hace que su volumen aumente, pero como su masa se mantiene igual esto significa que su densidad disminuye. Comoquiera que el líquido del fondo es menos denso que el de la superficie que ya se ha enfriado, el líquido más caliente sube y sustituye al frío y el proceso se repite. Es un mecanismo llamado de convección.
Al soplar sobre el líquido caliente sustituimos el aire que está en contacto con él, y por ello un poco más caliente que el resto, por un aire más frío, creando una diferencia térmica mayor entre el aire y el líquido que la que habría si dejáramos que se enfriara solo. Este proceso, que acelera el enfriamiento, recibe el nombre de convección forzada.
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Es un hecho comprobado que la temperatura media mundial aumenta. El masivo uso de combustibles fósiles, el incremento de la actividad industrial, la deforestación y otros aspectos de la actividad humana han incrementado la presencia en la atmósfera de dióxido de carbono, de óxido de nitrógeno y de otros compuestros como los clorofluocarbonados que atacan la capa de ozono y que han provocado el efecto invernadero.
Pero no vamos a hablar ahora de las causas sino del efecto de este aumento de temperatura en los hielos perpetuos de los polos.
El hielo de los casquetes polares se derrite de forma cada vez más acelerada. El volumen de hielo polar que se derrite como consecuencia del calentamiento global se ha duplicadpo en los últimos 13 años. Y se derrite más rápidamente —entre 3 y 4 veces— en el polo norte que en el polo sur, debido a que el hemisferio norte está más poblado y en él se emiten más agentes contaminantes.
Si todo el hielo se derritiera, el nivel del mar subiría. Hay varias estimaciones, pero los cálculos se sitúan alrededor de los 100 metros, suficiente para inundar muchas grandes ciudades costeras y para afectar a un alto porcentaje de la población mundial.
Pero contra lo pudiera parecer de entrada, es diferente que el hielo proceda de un polo o de otro. El del Polo Norte no aumentará el nivel del mar y el del Polo Sur sí. ¿Cómo es eso?
El hielo del Polo Norte está en gran parte flotando en el agua, pues el agua al congelarse se expande cerca de una undécima parte de su volumen, de manera que la misma cantidad de moléculas ocupan un espacio mayor. Así el hielo deviene menos denso que el agua y por ello flota.
Pero cuando se derrite, se contrae hasta su volumen original, que es exactamente equivalenrte a la parte del hielo que se mantiene sumergida bajo el agua. Y si ocupa el mismo volumen, el nivel del mar no aumenta.
Por contra, el hielo del Polo Sur, el de la Antártida está sobre tierra y su deshielo sí que aumentaría el nivel del mar. Igual ocurriría con el de Groenlandia, pues son un volumen añadido.
Para comprobar este punto nada más fácil que un sencillo experimento: poner un cubito de hielo en un vaso con agua y luego, con cuidado, llenar el vaso hasta el borde de agua, de tal manera que quede el vaso lleno al máximo sin rebosar y con el cubito de hielo flotando. El hielo se derretirá pero el agua no rebasará el borde del vaso.
Nota sabionda: Se estima que la temperatura media de la Tierra crecerá durante el siglo XXI entre 1 y 3,5º C, el mayor cambio climático de los últimos 10.000 años.
Respuesta a una consulta de viky
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Entrada elaborada a partir de la información ofrecida aquí, aquí, aquí y en otros sitios más.
Hay una relación directa entre los grillos y la temperatura, más concretamente entre su canto y la temperatura.
Si uno quiere conocer la temperatura ambiente en grados centígrados sin necesidad de echar un vistazo al termómetro —y siempre que se escuche el canto de un grillo, claro está— nada más fácil que contar los chirridos que emite durante 8 segundos y sumarle 5 a la cifra obtenida.
Cuanto más calor hace más rápido canta.
¿Y por qué cantan los grillos más rápidamente cuando hace más calor? En realidad todos los animales de sangre fría llevan a cabo sus funciones a mayor velocidad cuando la temperatura del entorno es más elevada. No se trata de un fenómeno biológico sino de un fenómeno químico, pues los organismos vivos responden al dictado de muchas reacciones químicas y éstas, por lo general, se llevan a cabo más rapidamente a temperaturas más altas.
Así los grillos chirrían con una frecuencia directamente proporcional a la temperatura ambiente. Y conociendo la temperatura en unos momentos dados se puede deducir la fórmula anteriormente descrita, lo que nos permitirá adivinarla en cualquier momento a partir de su canto. ¿Quién dice que el chirriar de los grillos es un sinsentido? A partir de ahora su canto te dirá la temperatura. Mola… ¿no?
Nota sabionda: Si se desea conocer la temperatura en grados Fahrenheit la fórmula cambia. Ahora hay que contar los chirridos emitidos durante 15 segundos y sumarle 40 al resultado.
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Tanto los CD como los DVD muestran la información contenida en ellos por medio de unas señales grabadas en el disco que aparecen más oscuras que el fondo. Al proyectar sobre el disco un láser, se puede medir la intensidad de la luz reflejada y traducir esos valores diferentes en información reconocida por el ordenador.
En los discos compactos grabables, el láser de escritura del ordenador quema marcas permanentes en la capa de polímero tintado que hay dentro del disco. Y luego se lee las veces que sea necesario, pero no se pueden volver a escribir.
En cambio, eso sí se puede hacer con los regrabables. Pero… ¿cómo? La diferencia estriba en que la superficie grabable es reversible.
Esta capa es de una aleación de plata, indio, antimonio y teluro, y tiene la característica de que cambia de fase. Esto es que a —diferencia de la mayoría de sólidos— puede existir en dos estados: cristalino y amorfo.
Cuando el láser calienta la aleación hasta casi los 700ºC, ésta pasa del estado cristalino original al amorfo, que refleja menos luz y se revela como una mancha negra cuando se reproduce el disco.
Ahora bien, cuando el láser calienta la aleación en estado amorfo cerca de los 200ºC, la devuelve al estado cristalino, dando como resultado el borrado de las manchas y dejando el compacto listo para escribirlo de nuevo.
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Si alguna vez tus visitas te sorprenden sin bebidas frías te será útil el siguiente truco para tener bebida fresca en apenas 2 mintos.
Nada de poner unas latas en el congelador. Además de necesitar unos 30 minutos para enfriarlas convenientemente corres el riesgo de olvidar alguna y que reviente, con el consiguiente estropicio.
Pero aquí no queda todo, puedes obtener sorbete de frutas directamente de un zumo aplicando la misma técnica casera.
¿Y cómo funciona el asunto?
Introducimos las latas en un recipiente con hielo para que la diferencia de temperatura entre la lata y el hielo juegue a nuestro favor. El calor circula del cuerpo más caliente al más frío, así irá abandonando la lata, que se enfriará, y se dirigirá hacia el hielo, que se calentará.
Pero este proceso sería muy lento, más incluso que el congelador, por ello añadimos agua para aumentar la superficie de contacto y facilitar el trasvase térmico. También añadimos sal para aumentar el punto de ebullición del agua. No es que esperemos que hierva, ni mucho menos, pero cuesta más calentar el agua salada que el agua sin sal, por lo que así mantenemos el agua fría más tiempo. Y, por último, agitamos continuamente para facilitar el reparto homogéneo de temperatura.
Nota sabionda: Cuando los cristales de sal se disuelven en el agua, los iones de Sodio (Na+) y de Cloro (Cl-) afectan las moléculas de agua de tal manera que decrecen el punto de congelación y elevan el de ebullición.
Las moléculas de agua cristalizan cuando se congelan, pero la presencia de cloro y sodio interfieren en el proceso, dando como resultado el que el agua salada permanece por mas tiempo en estado liquido a medida que desciende la temperatura.
Por contra, cuando se calientan se mueven más rápido y colisionan entre ellas liberando vapor de agua, pero la presencia de cloro y sodio también interfiere en el proceso disminuyendo el número de colisiones y ralentizando el proceso de ebullición.
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Seguro que has visto más de una vez esas estelas blancas cruzándose en el cielo o un avión en pleno vuelo dejándolas tras de sí.
Este rastro blanco lo dejan los aviones a chorro o a reacción al volar a gran altura y velocidad. Los gases calientes y húmedos que expulsan sus motores se mezclan con el aire que a grandes alturas tiene menor presión y temperatura que estos gases de escape. A consecuencia de ello, el vapor de agua contenido en ellos se condensa y hasta puede llegar a congelarse formando unas particulares nubes.
Los gases de escape de las turbinas de los motores a reacción contienen dióxido de carbono, óxidos de azufre y nitrógeno, carburante sin quemar, hollín y partículas metálicas además de vapor de agua. Su temperatura es muy elevada y contrasta con los -50 ºC a 10.000 metros de altura, por ello se enfría bruscamente y condensa el vapor de agua alrededor de las partículas de hollín formando una estela alargada de vapor de agua cristalizado que sigue la trayectoria del avión.
En realidad, el proceso es el mismo que opera cuando exhalamos nuestro propio aliento en un ambiente frío: nuestra respiración se condensa brevemente.
Nota sabionda: El grosor, la extención y la duración de estas estelas varía en función de la altitud y las condiciones meteorológicas, pero en unos minutos la presión y el viento las desdibuja hasta hacerlas desaparecer. Cuando la humedad relativa en las alturas es alta —lo que puede ser un indicador de tormenta— la estela se muestra más gruesa y se mantiene en el cielo por más tiempo; cuando la humedad relativa en las alturas es baja —lo que puede ser un indicador de buen tiempo— la estela se puestra tenue y poco duradera.
Durante una tormenta con componente eléctrico son abundantes los rayos, que son unas poderosas descargas eléctricas que se producen entre dos puntos con diferente potencial, sea entre nube y nube o entre nube y tierra.
Esta diferencia de voltaje se debe sobre todo a las diferentes velocidades de ionización de los componentes de los gases que forman dichas nubes, y la propia ionización de estos componentes se debe al efecto de la luz solar y a la diferencia de temperaturas entre los distintos estratos de la nube.
Este comportamiento explosivo de la súbita descarga eléctrica, crea un tubo de vacío parcial a lo largo de la trayectoria de menor resistencia seguida por los electrones. El aire situado en el interior del tubo se calienta y alcanza temperaturas de 25.000 a 30.000º C y se expande rápidamente en unas pocas millonésimas de segundo produciendo una gran presión en el canal que puede ser mayor de 100 atmósferas; pero al mezclarse con el aire frío del entorno baja bruscamente de temperatura y se contrae, lo que da como resultado una perturbación sonora característica: el trueno, que hace vibrar el tubo como la piel de un tambor, resonando y retumbando. Comportándose más como una onda de choque que como una onda de sonido típica.
Aún estando a la misma temperatura notamos más fría la cerámica que la madera. Algo fácilmente comprobable andando descalzo por suelos de ambos tipos.
Para evitar esa sensación de frío en algunos cuartos de baño se instalan suelos de madera en lugar de los suelos de cerámica tradicionales.
Pero ¿por qué parece estar más fría la piedra que la manera si en realidad están a la misma temperatura ambiente?
Cuando dos materias están en contacto, la energía térmica se desplaza desde la más caliente a la más fría hasta que ambas temperaturas se equilibran. Si la temperatura del cuerpo es de unos 37ºC y la del cuarto de baño (incluido el piso) de unos 22ºC, la diferencia térmica es de unos 15ºC. Entonces, al menos en teoría, el calor del cuerpo debería pasar a través de los pies desnudos hacia el suelo hasta lograr el equilibrio.
La cerámica, la piedra o el mármol tienen una elevada conductividad térmica, lo que significa que la temperatura del cuerpo fluirá con mayor rapidez que en el caso de un suelo de madera. Pero como el calor de una persona no basta para caldear el suelo, al estar un rato en contacto con él, acabará por acusar la bajada de temperatura.
Por contra, la madera es peor conductor térmico y el calor fluye hacia el suelo de forma más lenta, dando la sensación de estar más caliente.
Nota sabionda: La conductividad térmica es una propiedad de los materiales que dice cuan fácil es la conducción de calor a través de ellos. Es elevada en metales y en general en cuerpos continuos, y es baja en los gases y en materiales iónicos y covalentes, siendo muy baja en algunos materiales especiales como la fibra de vidrio, que se denominan por eso aislantes térmicos.
Nota sabionda: El coeficiente de conductividad térmica de la madera tipo aglomerado es de 0,06, el de la madera es de 0,13 y el de la baldosa cerámica es de 0,7. Otros materiales presentan otros valores: el acero 45, el aluminio 200, la fibra de vidrio de 0,03 a 0,07 y el amianto 0,04.
