EUREKA. CAPÍTULO 16: LAS MOLÉCULAS EN UN SÓLIDO
Probablemente hayas observado que las cosas en este mundo se dividen en tres categorías: gaseosas, como las del vapor que sale de tu sopa, o líquido como tu sopa o sólida como tu cuchara. Éstas son los tres estados de la materia: sólido, líquido y gaseoso. También habrás notado que el gas se mueve fácilmente, también lo hacen los líquidos, pero…¿Qué pasa con los sólidos? ¿Se mueven fácilmente? No parecen hacerlo verdad? Pero lo divertido de la materia es que jamás deja de moverse, aún cuando digamos que está en estado sólido. Sorprendentemente aunque las cosas no se muevan se están moviendo, lo que pasa es que eres demasiado grande para ver qué está sucediendo. Pero si pudieras hacerte pequeño, y más pequeño en algún momento serás tan pequeño como para ver la danza. Sí la danza. Todas las cosas sólidas que se suponen estáticas, incluyendo a tu cuchara, son en realidad millones y millones de partículas de materia bailando tan rápido como pueden. No tengas miedo, ven. Hay suficiente espacio, únete a la danza, los pasos son fáciles de seguir, cada partícula se mueve hacia su vecina y después se aleja. Apartemos un par de ellas y veamos cómo lo hacen, en cámara lenta. Primero las partículas se sienten atraídas y están a gusto juntas, pero luego cambian de parecer y se alejan unas de otras, pero no van muy lejos antes de que su atracción mutua los otra vez para después repelerse otra vez, y así todo el tiempo. Y todas las partículas hacen eso con sus partículas vecinas y juegan a algo así como ahora te quiero, ahora no quiero. Se atraen y se repelen todo el tiempo. Probemos; juntos, espera, apártate, juntas, espera, apártate. Fácil ¿No es cierto? Parecen unidas por una cuerda invisible. Te esfuerzas ¿no? Descansa un poco y mira a las demás, jamás dejan de tocarse pues no pueden escaparse unas de otras y cuando miras lo que todas ellas hacen al mismo tiempo y su incapacidad para mantenerse alejadas unas de otras, verás por qué un sólido es un sólido y no se puede fragmentar en pedazos. Por eso cuando agarres una cuchara o cualquier otro sólido no te dejes engañar por su aparente estado de inmovilidad, hay mucho más que está pasando y que el ojo no puede ver: recuerda, la danza de las pequeñas partículas y si quieres ser más científico cambiarás la palabra partícula por una latina moléculas, así recordarás la danza de las moléculas.
EUREKA. EPISODIO 16. MOLÉCULAS EN LÍQUIDO
La historia hasta ahora: los sólidos consisten en pequeñas partículas de materia que siempre están vibrando en forma lateral, en un ida y vuelta permanente. Este movimiento de ida y vuelta es lo que hace que el sólido no se fragmente. La palabra científica para partícula es molécula. Y ahora: moléculas en el líquido. Ese conejo de chocolate que está sentado a tu lado parece sólido ¿no es cierto? Cómo sólido que es parece mantener su forma ¿no? Y aunque las moléculas dentro de él están vibrando a alta velocidad, él se mantiene completo. Todo está en orden y bajo control: el movimiento de ida y vuelta no parece alterado. Y en la medida que no toques al conejo, éste permanecerá en el mismo estado ¿o no? Te has olvidado del sol. El sol hace que las cosas se pongan calientes y cuando las cosas se ponen calientes, o al menos lo suficientemente calientes, se transforman en líquido. Pierden su forma. Los líquidos no tienen forma ni silueta en lo absoluto. Adoptan la forma del recipiente en que lo pones, pero si dejas a un líquido que haga lo que quiera, se derramará por todos lados debido a la fuerza de gravedad, de hecho se acercará todo lo posible a la Tierra y por eso se achata lo más posible hasta alcanzar el nivel mínimo de grosor. Pero ¿qué pasó con ese diseño ordenado que mantenía la forma del conejo? ¿Cómo es posible que esas moléculas tan ordenaditas que hacían un conejo de chocolate, degeneren en este charco líquido? Revirtamos el proceso y veamos. El conejo está sentado sobre el muro, todas sus partículas juntitas y está frío. Si pudiéramos ver qué ocurre dentro de él veríamos que sus moléculas también están calmadas y juntitas, haciendo lo que siempre hacen: la danza de ida y vuelta. Cada par de partículas se mantiene junta porque existe una fuerza de atracción mutua y luego se apartan debido a una fuerza de repulsión mutua. Todo bien, hasta que el calor del sol las toca. A medida que el solo las calienta, las moléculas se entusiasman cada vez más y van cada vez más rápido, bailando cada vez más salvajemente. Cuando más calientes están más rápido bailan, hasta que sucede lo inevitable: las fuerzas de atracción que las mantenían unidas ya no pueden mantenerse y las partículas se separan y se liberan de lo que parecía un resorte elegante e invisible. Ahora cada molécula baila sola cambiando su dirección continuamente. Se deslizan unas sobre otras mezclándose. La velocidad de las moléculas sobrecalentadas aumenta liberándose de su trabajo de vibración, de ese ir y venir y todo se transforma en un caos y por lo tanto el conejo se derrite, pierde su forma y se transforma en una masa sin forma, en otras palabras se funde, eso es lo que fusión significa: fusión es la pérdida del orden, el colapso de la estructura de moléculas que vibraban y mantenían al sólido en una sola pieza. Así el sólido se transforma en líquido no sólo porque las moléculas se han desprendido de las otras sino porque ahora se deslizan unas sobre otras y cuanto más deslizamiento efectúen unas sobre otras, más fluido es el líquido. Así es como cuando las moléculas se calientan, aumentan su velocidad, se deshacen de su fuerza de unión con sus compañeras y el sólido se convierte en líquido. Así también cuando se enfrían las moléculas se hacen más lentas y los líquidos se transforman en sólidos.
EUREKA. EPISODIO 18: EVAPORACIÓN Y CONDENSACIÓN.
La historia hasta ahora: cuando las moléculas de un sólido se calientan cada vez más la vibración se hace cada vez más rápida, hasta que las fuerzas de atracción entre ellas no es lo suficientemente fuerte para mantener a la estructura unida. Esto ocasiona que abandonen el baile de ida y vuelta y se desarmen. Cuando el baile de ida y vuelta ha colapsado decimos que el sólido se ha derretido (fusión) ha cambiado del estado sólido al estado líquido. Y ahora: evaporación y condensación. El problema de las peceras de peces dorados es que cada día debes recordar colocarles un poquito de agua. ¿Por qué? ¿A dónde se ha ido el agua? No puede desaparecer así nomás. Bueno ¿por qué no llenas el bowl y te haces tan pequeño que puedas ver qué sucede? El agua es un líquido, por lo tanto sus moléculas se mueven muy rápido porque ya han vencido las fuerzas de atracción y repulsión que las mantenían juntas. Por lo tanto se deslizan por todos lados y unas sobre otras. A diferencia del sólido donde las moléculas estaban ordenadas las moléculas del líquido están todas desordenadas. Algunas de ellas se encuentran justo por debajo de la superficie del líquido y de hecho, forman la superficie del líquido. Cada tanto, la misma velocidad de las moléculas hace que una de ellas abandone el seno del líquido y escape al aire. Por supuesto, con el tiempo, varios millones de moléculas se escapan del líquido de esta manera. De hecho el movimiento de estas moléculas se parece mucho al movimiento que existe en una máquina de pochoclo. Sólo que en el caso de las moléculas se van al aire y no regresan. Por supuesto, ahora no puedes verlas. ¿Dónde se han ido esas pequeñas partículas? No puedes verlas. Son tan pequeñas que no podrías verlas ni con un microscopio. Sólo podrías “ver” a tus moléculas cuando te haces muy pequeño y observas a un sólido o a un líquido. Puedes verlas cuando te metes en el agua del bowl de tu pez dorado, pero en el momento en que escapan al aire se hacen invisibles, pero siguen ahí volando. Ya no forman un líquido ahora forman un gas llamado vapor. Por eso lo que sucede en el bowl de tu pez dorado se llama evaporación: un cambio de estado y de lugar. El agua se transforma de líquido en gas. El agua se evapora continuamente pero si dejas al bowl de tu pez dorado en una ventana donde le de el sol se evaporará más rápido, porque las moléculas en el agua caliente tienen más velocidad y habrá mayor cantidad de moléculas que salten del seno del líquido empujadas por las otras. Por lo tanto, si estás cansado de agregarle agua a tu pecera, una solución sería mantener al agua lo más fría posible, pura que las moléculas se muevan más lento y las moléculas se evaporen más lentamente. Pero ahora ¿qué pasó? Apenas puedes ver a tu pez dorado. ¿Qué ocurrió? Tan pronto como las moléculas del aire tomaron contacto con el frio de la heladera se hicieron también más frías. Cuanto más frías más lentas. Cuanto más lentas menos resistentes son las a las fuerzas de atracción entre moléculas. Por lo tanto comenzaron a unirse cada vez más juntas. En otras palabras, el gas se transformó en líquido otra vez. Pasó del estado gaseoso al estado líquido otra vez. Y esa agua se recolectó sobre la superficie de tu pecera. Es por eso que el vidrio parece nublado. Este cambio en el vapor al pasar de gas a líquido hizo que las moléculas se juntaran y las gotitas se hicieran cada vez más densas por eso este pasaje de gas a líquido se llama condensación. Así como el agua se evapora, también se condensa. No puedes ganarle a tus peceras. ¿Has pensado en traer un gato?
EPISODIO 19: EXPANSIÓN Y CONTRACCIÓN
Hasta ahora la historia: cuando las moléculas escapan de un líquido se dispersan en todas las direcciones para formar un gas o vapor. Este proceso se llama evaporación: el cambio de estado de líquido a gas. Cuando las moléculas de un gas se enfrían, van más lento y se reúnen más generando mayor densidad para formar un líquido. Este proceso se llama condensación: el cambio de estado de gas a líquido. Y ahora: expansión y contracción. Si inflas un globo solo en parte y lo dejas bajo los rayos solares se hará un poco más grande. Si tomas otro globo y le insuflas todo el aire que puedes y pones este globo bajo los rayos solares, es muy probable que estalle. ¿Por qué los globos se hacen más grandes? ¿Y en otras ocasiones hasta se queman? Porque el aire en el globo, que por supuesto es un gas, consiste, como todos los gases, en moléculas que se mueven en todas direcciones. Cuando tienes millones de moléculas haciendo esto, empujan hacia afuera desde dentro del globo, es por eso que la goma del globo parece estirarse. Cuando el calor del sol calienta a las moléculas éstas se mueven más rápido y chocan más fuerte y más cantidad de veces en la capa interna del globo. Esto empuja al globo hacia afuera y lo hace más grande. Las moléculas calientes necesitan más lugar que las moléculas frías. Es como si tuviéramos un montón de avispas enojadas dentro del globo: cuanto más calientes se ponen más rápido se mueven, empujando hacia afuera la goma del globo. Así es como cuando un gas se calienta ocupa más espacio: se expande. Por otro lado, si dejas al globo en el frío, ocurrirá lo inverso, se hará más pequeño, porque cuanto más frías sean las moléculas más lento se mueven y son menos las moléculas que chocan contra la pared interna del globo, lo cual hace que se ubiquen en espacios cada vez más pequeños. Las moléculas frías requieren menos espacio que las moléculas calientes. A medida que el globo se enfría las avispas zumban más lentamente y ocupan menos espacio. En otras palabras cuando el gas se enfría se contrae. Los sólidos y líquidos también se expanden cuando están calientes y se contraen cuando están fríos. Pues recordarás que los sólidos que se calientan lo suficiente se convierten en líquidos y cuando más se calienta el líquido más rápido se transforma en gas. Esto es bastante claro, lo que no es tan obvio es lo que sucede antes de que el cambio de estado se produzca. Tan pronto como el sólido o el líquido se hacen más calientes comienzan a expandirse un poco. Esto es porque cuanto más rápido se muevan las moléculas más pueden alejarse unas de otras tanto en un sólido como en un líquido. Por este motivo siempre se dejan espacios en las botellas al llenarse, para permitir la expansión en el caso que sus contenidos líquidos se calienten. De hecho no debieran llenarse ninguna botella hasta el tope, porque si el líquido dentro se hace muy caliente se corre el riesgo de que la botella explote. ¿Puedes imaginar ejemplos de la vida diaria en que un sólido se expanda y se contraiga? ¿Cómo crees que se produce el ruido cufum-cufum del automóvil cuando cruzas un puente? Son las ruedas que pasan por encima de los espacios que deben dejarse entre las planchas de concreto del camino que permiten la expansión en el verano y contracción en el verano. Así que ahora sabes porque el automóvil hace cufum-cufum al atravesar un puente, y también cómo prevenir que las botellas exploten o que los globos estallen.
EPISODIO 20: MIDIENDO LA TEMPERATURA
La historia hasta ahora: cuando la materia, en cualquiera de sus tres estados se hace más caliente, sus moléculas se hacen más veloces y requieren de más espacio y los sólidos, líquidos y gases se expanden. Cuando la materia se hace más fría, sus moléculas se hacen más lentas y requieren de menor espacio y los sólidos, líquidos y gases se contraen. Y ahora: midiendo la temperatura. ¿Puedes decirnos si el agua está fría o caliente? En ese caso, dinos dentro de cuál de estas bañaderas te meterías. ¿Ésta? La cual está congelada. O ¿ésta? Que está sumamente caliente o, ésta que no está ni muy caliente ni muy fría. Es una opción fácil ¿no? Bueno, dale, métete en la bañadera. Todavía está un poco caliente ¿no es verdad? Prueba con el otro pie. Ahora parece que está demasiado fría. Quizá decidir que es lo que está frío o caliente no sea tan fácil como parecía, después de todo. Esto es porque el cuerpo humano sólo puede diferenciar cuán caliente o cuan frío está algo si lo compara con algo más. Pero aún ni tus pies se ponen de acuerdo acerca de cuán frío o caliente está el agua de la bañadera del medio. Debe haber una mejor manera de graduar cuán frío o caliente o temperaturas como solemos decir. ¿Qué sabemos acerca de la calurosidad? Cuando la temperatura de un material aumenta sus moléculas se mueven a mayor velocidad. Las moléculas de la bañadera de agua caliente se mueven demasiado rápido y las moléculas de la bañadera con agua fría se mueven demasiado lento para que puedan conformar a tu cuerpo. Pero ¿cómo saber si las moléculas de agua de la bañadera del medio van a la velocidad apropiada para que sea confortable tu baño? ¿Cómo podemos medir su velocidad? ¿En km/H? son demasiado pequeñas, ni siquiera podemos verlas, mucho menos ver cuán rápido van. ¡Espera un minuto! Hay algo que sí sabemos respecto a la calurosidad, no sólo es una cuestión de la velocidad de las moléculas, sino que esa velocidad hace que los materiales se expandan. Es decir que podríamos medir la velocidad de las moléculas directamente midiendo el efecto que esa velocidad produce en el material: la expansión en sí misma. Y eso fue exactamente lo que un científico suizo, llamado André Celsius hizo en 1742. Tomó un líquido que se expande un poco cuando se calienta, el mercurio y lo puso dentro de un pequeño tubo y puso el tubo dentro de agua casi a punto de congelación y el mercurio se congeló hasta aquí. Decidió llamar al punto de congelación del agua 0º Celsius, luego puso el tubo en agua hirviendo y el mercurio se expandió hasta aquí. Denominó a este punto de ebullición 100º Celsius, ahora encontramos una manera de medir la velocidad de las partículas, en otras palabras la temperatura relativa o la calurosidad de las cosas. La temperatura de una habitación confortable es de 20ºC pero 30ºC es bastante caluroso y -20ºC es mucho frío. Celsius podía medir su propia temperatura y encontró que era de 37ºC lo que ciertamente es la temperatura óptima para tu baño: la temperatura normal del cuerpo. Todo lo que tienes que hacer es ajustar la temperatura del agua a los 37ºC para que finalmente puedas tomar tu baño. Cortesía de André Celsius y su metro de calurosidad o si prefieres la palabra griega para calor thermos, como se usa para los termos y que deriva en termómetro. ¿Está a la temperatura correcta tu baño ahora? O Dios, mejor toma una ducha
Los exámenes no estuvieron tan bien como deberían, de modo que van a tener un trabajo práctico especial para mejorar la calificación.
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