Domesticando al calor

Artículo publicado originalmente por Brenda Valderrama en la columna "Reivindicando a Plutón" del Son de Cuernavaca el 23 de noviembre de 2015.

Dicen que la pereza es la madre de la inventiva. ¿Y qué podría dar más pereza que estar drenando agua helada desde el fondo de una mina de carbón por horas? Bueno, seguramente muchas otras cosas más pero hoy vamos a hablar de un invento de esos que surgen de la necesidad y que transformaron a la humanidad: la máquina de vapor.

El carbón se ha utilizado en toda la historia de la humanidad para generar calor, ya sea para hacer más confortables las habitaciones o simplemente para cocinar. Durante el siglo XVI Inglaterra comenzó a explotar de manera sistemática sus depósitos de carbón y comenzó, también, a desarrollar la tecnología que le permitiera hacerlo de manera más eficiente.  A partir del uso de instrumentos sencillos que agilizan y reducen el esfuerzo humano o de animales de carga como son las palancas, las poleas y la rueda misma, se explotaron también otras fuentes naturales como por ejemplo el viento o las corrientes de agua. Sin embargo, el verdadero cambio provino cuando se aprovechó la capacidad calórica del carbón para realizar trabajo.

Después de una serie de experimentos preliminares, Thomas Newcomen diseña en 1712 un instrumento que aprovechaba la capacidad motriz del vapor de agua para subir un pistón. Algo parecido a lo que sucede con la válvula de una olla de presión en casa donde el chorro de vapor puede empujar el tapón hacia arriba. La novedad de Newcomen fue asociar una palanca al pistón y el movimiento de la palanca a una bomba de agua que demostró podía drenar tanta agua del fondo de la mina como lo harían dos bombas tradicionales tiradas por caballos.

Las ventajas fueron evidentes ya con un solo operario se reemplazaban dos tiros de caballo. Además, las bombas no se cansan como los caballos, tampoco hay que darles de comer y todavía mejor, el sistema se alimenta con el mismo carbón que se extrae de la mina. Como se imaginarán, la bomba fue un éxito y se comenzó a utilizar no solo en minas de carbón sino en cualquier otro sitio que necesitara un drenaje constante de agua por lo que fue optimizada y profesionalizada.

Cincuenta años más tarde, James Watt, un joven ingeniero que trabajaba en la Universidad de Glasgow en Escocia, se dio cuenta que una parte importante de la energía emitida por el carbón no se aprovechaba para mover el pistón sino que se disipaba en forma de calor. Con un cambio de diseño mejoró la eficiencia del motor reduciendo a solo 25% la cantidad de carbón que se necesitaba y también la de agua ya que añadió un sistema de reciclado. Emocionado por sus descubrimientos, Watt siguió trabajando en el diseño de una versión de bomba todavía más eficiente y por lo tanto, más pequeña, la cual lanzó al mercado diez años después todavía como una maquinaria dedicada a la minería.

Como buen emprendedor y no contento con su éxito, Watt siguió trabajando en su diseño y lo modificó de tal forma que la palanca conectada al pistón pudiera desarrollar otros tipos de movimientos que fueron aprovechados por diferentes empresas como la textil detonando la revolución industrial. A partir de ese momento ya no hubo marcha atrás, la sociedad se volvió dependiente de la energía contenida primero en el carbón y después en el petróleo. 

James Watt fue un hombre práctico y aunque desarrolló conceptos útiles como el de “caballos de fuerza” se requirió de la participación de otros científicos para entender, dimensionar y generalizar sus observaciones dando sustento a una rama de la física moderna conocida como Termodinámica.

Inicialmente, la termodinámica se aplicó al estudio de la interacción entre calor y trabajo y también de su relación con variables medibles como son el volumen, la presión y la temperatura. En su desarrollo posterior, la termodinámica se ha ampliado para el estudio de cualquier fenómeno de transferencia de energía incluyendo reacciones químicas.

Del trabajo de cientos de científicos se han logrado desarrollar dos conceptos claves que se conocen como las Leyes de la Termodinámica. La Primera Ley nos dice que la energía puede cambiar de forma pero no puede ser creada ni destruida. Es decir, que la energía del Universo es constante desde su origen y seguirá siendo así por siempre. Usemos el ejemplo de la máquina de vapor donde la energía contenida en el carbón se libera como calor durante la combustión. La bomba de Watt lo que hizo fue canalizar parte de esa energía para realizar trabajo. Ese trabajo puede transformarse a su vez a otras formas de generación de energía, como por ejemplo eléctrica. Sin embargo, no importa cuántas ni que tan complejas sean las transformaciones, la cantidad de energía siempre será igual al 100% original, ni más ni menos.

En reconocimiento a sus aportaciones al desarrollo científico y tecnológico, la comunidad científica decidió usar el apellido de James Watt para nombrar la unidad del sistema métrico decimal relacionada con la potencia. Es decir, un watt es una unidad que nos refleja la capacidad de un sistema de generar trabajo a partir de la transformación de energía. Piensa en eso la próxima vez que cambies un foco.

Caliente, caliente

Artículo publicado originalmente por Brenda Valderrama en la columna "Reivindicando a Plutón" del Sol de Cuernavaca el 16 de noviembre de 2015

A veces lo más obvio resulta ser lo más difícil de expresar. Eso pasa con la energía. Actualmente nos transportamos, nos alimentamos y disfrutamos de mayor bienestar que nunca antes en la historia de la humanidad porque nos hemos transformado en una sociedad impulsada por la energía, sin embargo existe confusión sobre lo que significa.

Según la Real Academia Española, energía es eficacia, poder, virtud para obrar. En ese sentido, expresiones como “hoy amanecí sin energía” o “vamos a cargarnos de energía a la pirámide” son aceptables, sin embargo, desde el punto de vista científico, la energía es única y exclusivamente la capacidad para realizar un trabajo. Sin distingo de su naturaleza, ya que puede ser energía térmica, energía química, energía cinética, energía eléctrica o energía potencial, entre otras, todas las formas de energía pueden usarse para producir trabajo siendo uno de los avances tecnológicos y científicos más importantes de la humanidad precisamente la domesticación de este proceso.

En esta ocasión nos referiremos a un tipo de energía en particular, la energía térmica, a sus manifestaciones y a su aprovechamiento. Comencemos por declarar que la energía térmica es aquella que se libera en forma de calor y que el calor se transmitirá siempre de un objeto más caliente a otro menos caliente (o más frío), pero nunca en sentido contrario. A finales del siglo XVIII, Antoine de Lavoisier realizaba estudios sobre la combustión, proceso que, como todos sabemos, emite una cantidad significativa de calor. Con la finalidad de articular mejor su teoría, Lavoisier propone la existencia de un fluido al que llamó calórico y que sería la sustancia del calor. De acuerdo con su teoría, la cantidad de esta sustancia sería constante en todo el universo y fluiría desde los cuerpos cálidos a los más fríos. Aunque ya en 1774 Lomonosov rechazaba la teoría del calórico y atribuía el calor al movimiento microscópico molecular, no fue hasta 1842, con los concluyentes experimentos de Mayer y Joule, cuando se desechó este modelo.

Entonces, ¿qué es el calor? El calor es energía en tránsito. Esta energía proviene del movimiento de las moléculas que componen un cuerpo. Más caliente un objeto, mayor movimiento tienen sus moléculas (energía cinética) la cual puede transferirse a otro cuerpo más frío en forma de calor hasta que el movimiento de las moléculas de ambos cuerpos sea el mismo. El calor puede ser transferido entre objetos por diferentes mecanismos, entre los que se encuentran la radiación, la conducción y la convección, los cuales pueden operar solos o en conjunto.

La manera como expresamos el grado de calor contenido en un objeto se llama temperatura y existen varias formas de determinarla. Vivencialmente decimos que un objeto está caliente, tibio (como el cuerpo humano), templado (con el ambiente) o frío. Sin embargo, la forma correcta de expresar la temperatura consiste en la aplicación de un termómetro, palabra que proviene de los términos termo (calor) y metro (medición).

El primer termómetro es atribuido a Galileo, quien en 1592 empezó a utilizar como tal un bulbo de vidrio, del tamaño de un puño, abierto a la atmósfera a través de un tubo delgado. Para evaluar la temperatura ambiente, se calentaba con la mano el bulbo y se introducía parte del tubo (boca abajo) en un recipiente con agua coloreada; la variación de temperatura del aire atrapado en el proceso de enfriamiento al ambiente ocasionaba un ascenso del nivel del líquido en el tubo que era proporcional a la diferencia entre la temperatura ambiente y la del cuerpo humano. Actualmente se puede fabricar una derivación de este termómetro original a uno basado en ampolletas con líquidos de diferente densidad que resulta ser entretenido de elaborar y muy vistoso como adorno. En 1641, el Duque de Toscana, fundador de la Academia Florentina de los Experimentos, aprovechando la entonces emergente tecnología de tubos capilares de vidrio, introduce el termómetro de bulbo con alcohol y capilar sellado, prácticamente como los usados hoy en día.

Siendo tan simples de elaborar y tan útiles para aplicaciones prácticas, se difundió el uso de los termómetros, sin embargo, como las escalas eran arbitrarias era imposible llevar a cabo comparaciones productivas. No fue sino hasta 1717 que un instrumentista holandés apellidado Farenheit introdujo como puntos de referencia el de congelación de una disolución saturada de sal común en agua y la temperatura del cuerpo humano, dividiendo esta escala en 96 partes iguales. La escala Farenheit se sigue utilizando hasta la fecha en países anglosajones.

Un poco después, en 1740, el físico sueco Anders Celsius propuso utilizar como puntos fijos los de de fusión y ebullición del agua al nivel del mar y también la división de la escala en 100 grados. Esta escala, que se llamó centígrada por contraposición a la de Farenheit ha perdurado hasta hoy y es la que usa de manera extendida en México. Para aplicaciones comunes la escala Celsius es utilizable, sin embargo, durante un tiempo existió la polémica si existiría una temperatura mínima real o si, al contrario, no habría límites para el frío.

En 1848 William Thomson (luego Lord Kelvin) concluyó con la polémica al establecer formalmente la escala absoluta de temperatura. En esta escala cada grado corresponde con un grado Celsius y se origina en el cero absoluto, es decir en la temperatura donde no existe movimiento alguno a nivel molecular. Esta temperatura corresponde a -273.15 grados Celsius y su unidad es el K (Kelvin, en honor a su inventor).

El sitio más frío conocido corresponde a la nube de expansión de gases de la Nebulosa de Boomerang con un valor de 1K, un par de grados menos que la temperatura promedio del universo que es de 2.73K. Dentro del laboratorio, existe una carrera permanente por alcanzar el cero absoluto y si es posible, por superarlo.

En conclusión, podemos decir que la temperatura no es energía en sí, sino una medición de ella, mientras que el calor sí es energía. Ahora, cómo convertir esta energía en trabajo será materia de la siguiente entrega de esta columna.

Información adicional

Funcionamiento de un termómetro de Galileo

https://www.youtube.com/watch?v=6-4wTxrkFqw

Nebulosa de Boomerang, el lugar más frío del universo

http://hubblesite.org/gallery/wallpaper/pr2005025a/

Gases cuánticos que alcanzan temperaturas por debajo de 0K

http://www.nature.com/news/quantum-gas-goes-below-absolute-zero-1.12146

Porqué no creo en la homeopatía

Artículo publicado originalmente por Brenda Valderrama en la columna "Reivindicando a Plutón" del Sol de Cuernavaca el 9 de noviembre de 2015.

Solo una vez recibí un tratamiento homeopático pero como mis papás decidieron que tomara dos medicamentos de manera simultánea, es imposible saber si me curó el homeopático, el farmacéutico o si me curé sola a pesar de ambos tratamientos. La verdad es que lo único que sé con certeza es que los chochitos de azúcar con alcohol estaban sabrosos.

La homeopatía la inventa Samuel Hahnemann en Europa a finales del siglo XVIII como una alternativa a métodos totalmente inaceptables desde la óptica moderna como las sangrías. Sin embargo, esta disciplina tiene dos características por las que su validez ha generado un profundo cuestionamiento por los científicos de México y del mundo.

La primera es la práctica de catalogar las enfermedades por los síntomas, como por ejemplo la comezón, y la presunción de que su origen es una mezcla de agentes infecciosos, influencias ambientales y predisposición personal. Esta manera de abordar el problema tuvo sentido a finales del siglo XVIII cuando la microbiología estaba apenas comenzando y conceptos como “fuerza vital” y “generación espontánea” no habían sido retados con explicaciones racionales derivadas de la observación científica. Sin embargo, ahora sabemos que padecimientos como la sarna o la psoriasis, que presentan síntomas a primera vista similares, tienen orígenes totalmente diferentes y por lo tanto, los tratamientos tendrán que ser los específicos para cada una.

Al principio Hahnemann partió del supuesto de que lo que te enferma, si se ingiere en dosis diluidas, te curaría. Como en realidad no existe una correlación clara entre la ingestión de compuestos y las enfermedades muy pronto evolucionó el concepto hacia el estudio de extractos vegetales o animales para identificar si tenían efecto sobre las personas. Estas pruebas llamadas comprobaciones han tenido cierto valor por usar grupos de control, procedimientos sistemáticos y análisis estadístico de los resultados. Sin embargo, su gran deficiencia consiste en que se trata de procedimientos subjetivos y que no son ciegos, es decir, no tienen cuidado de que el paciente no sepa si está tomando un medicamento o un placebo. Ocasionalmente las comprobaciones homeopáticas han servido para el desarrollo de medicamentos modernos como, por ejemplo, la evidencia de que la nitroglicerina podría ser útil en el tratamiento para la angina de pecho.

La segunda característica tiene que ver con el método de preparación de los medicamentos. Como las observaciones iníciales de Hahnemann provenían de venenos y otro tipo de compuestos que efectivamente causaban daño, su hipótesis de trabajo fue que si se diluían lo suficiente, entonces tendrían el efecto contrario. Aunque ya mencionamos que esta presunción ha sido modificada con el tiempo, todavía los homeópatas conservan la práctica de la dilución extrema de los principios activos.

A finales del Siglo XVIII tampoco se habían desarrollado las teorías moleculares de la química moderna que en nuestros tiempos nos permiten saber exactamente cuántas moléculas de un compuesto, por ejemplo cloruro de sodio (sal de mesa) se encuentran en una solución. Inclusive se ha desarrollado el concepto químico de concentración y una unidad específica conocida como concentración molar. En la entrega de la semana pasada hablamos de la constante de Avogadro, donde aprendimos que una mol de un compuesto contiene exactamente 6 x 10²³ moléculas del mismo y que equivale a la masa molecular expresada en gramos. Volvamos a la sal de mesa para dar un ejemplo. Una molécula de cloruro de sodio está formada de un átomo de cloro y uno de sodio, cuya masa sumada da 58,44 gramos/mol, es decir, que si pesamos en una báscula 58.44 gramos de sal tendremos una mol y en esa mol 6 x 10²³ moléculas del compuesto. Ahora, si diluimos esa mol de cloruro de sodio en un litro de agua tendremos una solución de concentración  1 molar (1M).

En homeopatía se usa de manera frecuente las diluciones 1:100 que consisten en tomar una parte de la solución concentrada y diluirla 100 veces y así sucesivamente. Una de las diluciones más aceptadas por los homeópatas para sus medicamentos es la conocida como 30C, es decir que la solución concentrada sufrió 30 diluciones consecutivas cada una por un factor de 100. Procedamos ahora a calcular cómo se comportaría nuestra solución 1M de cloruro de sodio.

Sabemos que nuestra solución contiene 6 x 10²³ moléculas de cloruro de sodio en un litro. Si diluimos ese litro en 100 litros ahora tendríamos 6 x 10²¹ moléculas en un litro (dos órdenes de magnitud menos que es igual a cien veces). Si lo hacemos una segunda vez tendríamos 6 x 10¹⁹ moléculas en un litro y si lo hacemos diez veces más tendríamos solo 6 moléculas en los cien litros. Si lo volvemos a diluir por treceava ocasión, entonces ya no habría suficientes moléculas para distribuir. Definitivamente una dilución 30C ya no tendría ni una sola molécula que no fuera agua.

Ante tal evidencia, los defensores de la homeopatía han desarrollado explicaciones alternas como la memoria del agua, donde arguyen que las moléculas del solvente “recuerdan” que tuvieron un principio activo y transmiten esa información como remedio. También se han adicionado procedimientos físicos como golpear la solución o exponerla a la luz del sol con la finalidad de energizarla y aumentar la potencia de los compuestos.

Ninguna de estas prácticas ha soportado el análisis riguroso del método científico en lo que se conoce como pruebas clínicas y que son los procedimientos que las autoridades sanitarias solicitan de cualquier medicamento que sale al mercado para darle un registro. En México la autoridad en la materia es la COFEPRIS (Comisión Federal para la Protección contra Riesgos Sanitarios).

Avogadro y su constante

Artículo publicado originalmente por Brenda Valderrama en la columna "Reivindicando a Plutón" del Sol de Cuernavaca el 2 de noviembre de 2015

El mundo de lo pequeño siempre ha capturado la imaginación de los niños, por lo menos la mía sí, tanto como para dedicarle largas horas de observación a un hilo de hormigas. Conforme pasa el tiempo vamos entendiendo que lo pequeño está compuesto  de partículas todavía más pequeñas y esas, a su vez, de otras más pequeñas hasta que llegamos al reino de lo atómico más o menos al entrar en secundaria y conocemos por primera vez a los electrones, protones y neutrones que son la materia prima de los átomos.

Los átomos tienen volumen y masa al igual que el mundo que podemos observar con los sentidos, sólo que son miles de millones de veces más pequeñas. Para poderlos describir y manipular se han desarrollado, por un lado, instrumentos de enorme precisión y resolución como los aceleradores de partículas o los difractrómetros de rayos X y, por otro lado, nuevos conceptos como masa atómica o  mol.

Vamos a analizar el ejemplo de un kilogramo de arena que está hecha de óxido de silicio, una molécula compuesta por dos átomos de oxígeno y uno de silicio y que tiene por fórmula SiO₂. Si queremos saber cuántos granitos contiene un gramo de arena necesitamos saber cuánto pesa en gramos cada uno y bastaría entonces dividir 1 entre ese número.  Felizmente, ese dato es relativamente fácil de obtener y sabemos que el peso promedio de un granito de arena es 0.00005g por lo que un gramo contendría 2 x 10⁴ granos de arena o lo que es lo mismo, veinte mil granitos. Ahora vamos a hacerlo más difícil ¿Cuántas moléculas de óxido de silicio hay en un gramo de arena?

Date un segundo para pensar la respuesta. ¿No la tienes? ¿Por qué?

Si respondiste que no y que es porque te falta información, pues tienes razón. Así como resolvimos la primera pregunta porque supimos cuánto pesa un granito de arena en gramos necesitamos saber cuánto pesa una molécula de óxido de silicio en gramos y repetir el procedimiento. No es una pregunta fácil sin embargo tiene respuesta gracias a los descubrimientos de Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro, conde de Quaregna y Cerreto.

Amedeo fue un científico italiano del siglo XIX que enseñaba física en la Universidad de Turín. En esos tiempo los temas fundamentales de la ciencia tenían muchas más preguntas que respuestas además de que no se contaba con tecnologías como las de ahora para resolverlas. Sin embargo, con experimentos sencillos y con mucho ingenio, Amedeo aceleró el avance de la ciencia al determinar un número llamado ahora Constante de Avogadro en su honor.

La Constante de Avogadro es el número que relaciona el número de moléculas con su masa atómica expresada en gramos, un conocimiento realmente revolucionario ya que la masa de una molécula es miles de millones de veces más pequeña que un gramo y ni siquiera a la fecha tenemos manera de determinarla directamente. Entre 1800 y 1810, Amedeo realizó una serie de experimentos con gases, especialmente oxígeno, donde demostró que la masa de una molécula se relaciona directamente con su peso en gramos por un factor de 6 x 10²³ (un 6 seguido de 23 ceros). Dicho de otra manera, si una molécula tiene una masa de 2, como en el caso del hidrógeno, en 2 gramos de hidrógeno tendremos 6 x 10²³ moléculas. Si hablamos de una molécula de agua que tiene una masa de 18, en 18 gramos de agua tenemos, otra vez, 6 x 10²³ moléculas de agua. Para el óxido de silicio, con una masa de 60, significa que en 60 gramos tenemos 6 x 10²³ moléculas de óxido de silicio. Ahora sí ya puedes responder la pregunta.

La Constante de Avogadro nos sirve para hacer cálculos como el anterior pero también de ahí se deriva otro concepto fundamental para la química que es la mol. Una mol es como una docena o una gruesa, un número que refleja un ensamble de elementos sin importar si son átomos o naranjas. Una docena son doce, una gruesa son 144 (doce docenas) y una mol son 6 x 10²³.

Volvamos ahora al tema que dejamos pendiente la semana pasada en esta misma columna y que tiene que ver con la nueva definición del kilogramo a partir de la elaboración de esferas de silicio. Comienzo con decirles que el silicio puro forma cristales perfectos, tal como lo hacen las moléculas de cloruro de sodio en un grano de sal o los átomos de carbono en un diamante. Es decir que cada ocho átomos de silicio se acomodan de manera precisa para formar cubos que se repiten de manera regular dentro del cristal. Este cubo se conoce como celda unitaria y tiene dimensiones que pueden ser determinadas experimentalmente en el orden de la mil millonésima parte de un metro.

Entonces, si sabemos el volumen de la celda unitaria y también sabemos el volumen de la esfera, podemos  deducir el número de celdas unitarias presentes y como cada una contiene ocho átomos de silicio, bastaría multiplicar estos dos números para saber cuántos átomos de silicio hay en la esfera. Gracias a la Constante de Avogadro, es posible transformar el dato obtenido de número de átomos a su masa en gramos con lo que sabríamos el peso exacto de la esfera sin necesidad de usar una báscula para pesarla.

Construir la esfera es laborioso y complejo pero, como ya leímos, es posible y se están llevando a cabo los experimentos necesarios que nos permitirán saber, con extrema precisión, cuántos átomos de silicio hay en un kilogramo. Una vez logrado, ya no requeriremos de un artefacto único de referencia para calibrar la unidad de peso, pues las esferas pueden volver a hacerse las veces que sea necesario y, al tener el mismo número de átomos de silicio,  siempre pesarán un kilo.