Hay que ser más extenso y menos intenso…

Foto: Lautaro Andreani / Unsplash

Seguro que todos habéis tenido en vuestras manos alguna bengala encendida. Son una cosa casi mágica: fuego, chispas… follón. Lo que le gusta a cualquier crío.

Es posible que también hayáis dado un salto al ver que una chispa caía en vuestra piel o en vuestra ropa… con el consiguiente alivio y sorpresa al ver que no pasaba nada (a no se que, en lugar de una chispa, fuera un “trocito” de la bengala”).

¿Cómo es esto posible si la chispa de la bengala está a más de mil grados y ya chillamos si el agua de la ducha sale un poco caliente?

Quizá la culpa la tengamos los propios profesores, solemos decir que la temperatura de una idea de la energía térmica que hay en un sistema, y quizá dimos a entender que la temperatura y la energía térmica eran la misma cosa. Y no lo son.

Usemos un símil. Si te digo que tengo un conjunto de personas que con bastante dinero en sus bolsillos, ¿qué puedes decirme sobre la cantidad de dinero total de ese conjunto? Espera, otra pregunta, y si te digo que también tengo otro conjunto de personas con no demasiado dinero en sus bolsillos, ¿puedes saber si la cantidad de dinero total del primer conjunto es superior a la del segundo?

Efectivamente, no se puede afirmar absolutamente nada. Si el segundo conjunto es mucho más numeroso que el primero, podría tener un montante total muy superior. La medida “dinero por persona” no es suficiente para saber la “energía total” del conjunto. Bien, pues la temperatura se parece un poco a eso, a una variable que puede estimar la energía “promedio” de las partículas elementales que vibran o se mueven en un sistema.

Volviendo a nuestra bengala, podríamos decir que hay mucha “densidad de energía” en esa chispa tan pequeña, lo que no implica que la cantidad total de energía sea mucha, precisamente por lo pequeña que es. De esta forma, la chispa no tiene energía suficiente para quemarme.

En física llamamos variables intensivas a aquellas que no dependen del tamaño del sistema, como la temperatura o la densidad. Ya sabéis que la densidad del agua es, aproximadamente un kilogramo por litro, ya tengas un vaso o una piscina. La densidad nos da “cuánta masa hay en un volumen dado” no la cantidad global (como si habláramos de personas por metro cuadrado en una manifestación). Por eso bromas como “mira, estamos a dos grados centígrados, no tocamos ni a uno cada uno”, no tienen ningún sentido. Cada punto de la estancia estará a dos grados.

Hay otras variables que llamamos extensivas que sí que aumentan o disminuyen al cambiar el tamaño del sistema, como la masa, el volumen o la energía térmica. Una curiosidad, a veces al operar con variables extensivas nos da una variable intensiva. Por ejemplo, el volumen o la masa de un objeto son variables extensivas, si hago el objeto el objeto el doble de grande, tendrá dos veces el volumen, claro, y dos veces la masa. Pero si pienso en la densidad, que es la masa dividida por el volumen, esos dos factores “2” se simplifican y la densidad seguirá siendo la misma, sin variar por el tamaño del sistema, por lo tanto una variable intensiva.

Pero hablemos con un poco más de detalle de cómo se da la transferencia de energía entre los cuerpos calientes y los fríos (si no hay cambio de estado).

Primero, aclarar que la temperatura es una variable macroscópica, no tiene sentido decir que una molécula está a tantos grados centígrados, diremos que los sistemas macroscópicos están a cierta temperatura, y podremos relacionar esta magnitud con asuntos microscópicos como la velocidad a la que se mueven las partículas.

Digamos entonces que tenemos dos sistemas de distinta masa y de distinto material que están a distinta temperatura.

De nuestro símil de antes, sabemos que estos dos sistemas difieren tanto en la temperatura, como en la energía total que tienen, pudiendo suceder que tenga más energía térmica global aquel que tiene menor temperatura.

¿Qué pasa cuando los ponemos en contacto térmico?

Pues, antes de que empecéis a soltar hipótesis, os diré que pasa exactamente lo que le da la gana a la naturaleza. Nunca está de más recordar que la ciencia se basa en el empirísmo, en ver qué sucede y dar cuenta de ello intentando buscar patrones y regularidades.

Podría ser que la energía pasase del que tiene más energía al que tiene menos hasta igualarse las energías globales en ambos sistemas. Podría ser. Pero no es. Lo que ocurre es que la energía pasa de uno a otro hasta que las temperaturas se equilibran, quedando ambos sistemas con energías distintas, y a este “estado de vibración similar” es lo que llamamos equilibrio térmico y es de lo que habla la Ley Cero de la Termodinámica.

De esta forma, si el cuerpo frío tiene menos materia, con una fracción pequeña de energía proveniente del cuerpo grande, sería suficiente para agitar sus “pocas partículas” hasta tener “un estado de vibración similar” entre ambos sistemas, una misma temperatura.

Pero aún falta otro factor a tener en cuenta. La distinta naturaleza de los materiales entre ambos sistemas. Si un kilo de material absorbe una unidad de energía, ¿elevará su temperatura los mismos grados, sea cual sea el material? Podría ser, ya sabéis, no depende de lo que os apetezca u os parezca razonable. Podría ser… pero no.

Algunos materiales necesitan absorber mucha energía para que un kilo de sustancia incremente su temperatura un grado y otros, bastante menos. A esta característica le llamamos calor específico.

Así, hay sustancias que cuesta mucho calentar. Tú aportas y aportas energía, y aquello no sube la temperatura. Fíjate que también hay otra manera de ver este efecto: estos materiales funcionan como una “reserva de energía” porque al enfriarse, cederán un montón de energía cada grado que vayan bajando su temperatura.

Una sustancia común con una capacidad calorífica bastante relevante es el agua líquida y, por esa razón, funciona como un regulador de temperatura en la costa. Absorbiendo el calor cuando la temperatura es alta y cediéndolo cuando baja.

Esto se resume en una fórmula que quizá ahora os parezca muy sencilla de entender.

Q = m C (T2-T1)

La pondríamos en palabras así: El calor que un material absorbe o cede* al cambiar su temperatura de T1 a T2 es proporcional a cuánta materia hay y a cual es su calor específico.

Si volvemos a pensar en nuestra chispa, aunque la diferencia de temperatura con nuestra piel es elevada, debido a la poca masa, cuando iguale su temperatura con nosotros, el calor que nos cederá será una cantidad muy pequeña.

La idea de este artículo nace al ver un tuit en el que se hablaba de la influencia en el calentamiento global de las pruebas nucleares y detonaciones que se llevaron a cabo en la segunda mitad del siglo XX y argumentaban la enorme temperatura de esas explosiones.

Ya estáis en condiciones de buscar vuestra propia información (o hacer vuestros propios cálculos), lo que está claro es que esa afirmación no puede sostenerse exclusivamente argumentado la temperatura de las explosiones, hay que estimar qué energía total se disipó y cuánto aumento de temperatura sería capaz de producir en la atmósfera como conjunto.

Aquí tenéis un interesante hilo de Pedro J. Hernandez (@ecosdelfuturo) donde hace las cuentas… los números os sorprenderán. Agradecemos a Pedro, como siempre, su incansable labor en la información y el detalle.

Como suelo decir: El que mide, sabe. El que no, sólo opina.

Sobre el autor: Javier Fernández Panadero es físico y profesor de secundaria además de escritor de libros de divulgación.

[*] Nota del editor: Esto es una forma coloquial de hablar. En puridad lo que se absorbe o cede es energía y la forma en la que se transfiere es calor. El calor, recordemos, es una forma de transferencia de energía, no un fluido o cosa similar. Más aquí.

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