Una cuestión de movimiento

Hemos visto que durante la década de 1840 muchos científicos reconocieron que el calor no es una sustancia sino una forma de energía que puede convertirse en otras formas. James Prescott Joule y Rudolf Clausius fueron un paso más allá. El calor puede producir energía mecánica, y la energía mecánica puede producir calor; por lo tanto, razonaron, la “energía calorífica” de una sustancia es simplemente la energía cinética de sus átomos y moléculas. Esta idea, que constituye la base de la teoría cinético-molecular del calor, es mayormente correcta.

Sin embargo, y a pesar de lo que pueda parecer leyendo los libros de texto habituales, donde parece que desde que Dalton propone la hipótesis atómica en 1805, ésta es inmediatamente aceptada, la idea de átomos y moléculas tuvo tantos partidarios como detractores a lo largo en el siglo XIX e incluso en el siglo XX [1]. Las moléculas, como sabes, son las partes más pequeñas de una sustancia, y están compuestas de átomos, que son las partes más pequeñas de un elemento. Si admites su existencia ideas como la homeopatía se convierten inmediatamente en absurdos [2] y otras, como las leyes de proporción de la química, se vuelven lógicas.

Volviendo a las ideas de Joule y Clausius, si esos pedacitos de materia realmente existieran, serían demasiado pequeños como para poder observarlos incluso con los más poderosos microscopios. Como los científicos no podían observar las moléculas, no podían confirmar directamente la hipótesis de que el calor es energía cinética molecular. Por lo tanto, recurrieron a la forma indirecta de comprobar la plausibilidad de la hipótesis, que siempre es útil: derivaron de esta hipótesis las predicciones sobre el comportamiento de grandes muestras de materia mensurables, y luego comprobaron estas predicciones con experimentos [3].

Por razones que se harán evidentes según avancemos en esta serie, es más fácil comprobar las predicciones de la hipótesis atómica observando las propiedades de los gases. La consecuencia última de estos desarrollos en la segunda mitad del siglo XIX, la teoría cinética de los gases, es uno de los últimos grandes éxitos de la mecánica newtoniana.

Una de las características más fáciles de medir de un gas confinado es su presión. La experiencia que tenemos con globos y neumáticos hace que la idea de la presión del aire parezca obvia. Pero hay sutilezas importantes. Una implica la presión que ejerce el aire que nos rodea.

En su libro sobre mecánica, Discorsi e Dimostrazioni Matematiche Intorno a Due Nuove Scienze (1638), Galileo llama la atención sobre el hecho de que las bombas de pistón aspirantes no pueden elevar el agua más de 10 metros. Este era un hecho muy conocido en la época, ya que se usaban este tipo de bombas volumétricas para sacar agua de pozos o para evacuar el agua de las minas. Si recordamos, esta fue la motivación primera para el desarrollo de las máquinas de vapor.

Pero, ¿por qué solo 10 metros? Para empezar, ¿por qué funcionaban siquiera las bombas?

En las próximas entregas observaremos las propiedades de un gas simple para, posteriormente, intentar explicar el origen de las propiedades de los gases además de sus consecuencias prácticas y, además, el de las leyes de la termodinámica basándonos solo en la teoría cinética. Todo ello con las matemáticas de primaria.

Notas:

[1] Incluso hubo premios Nobel de química, como Ostwald, que negaron la existencia de átomos y moléculas hasta que se conocieron los resultados de los experimentos de Perrin en 1908 que probaban que la teoría de Einstein sobre el movimiento browniano, basada precisamente en la existencia de moléculas, era correcta.

[2] Fue la indefinición del XIX sobre la cuestión atómica una de las patas que permitieron la popularización de esta, hoy ya sí con todas letras, estafa. Las otras dos patas fueron el desconocimiento de la existencia del efecto placebo y el hecho estadístico de que la mayor parte de las personas que enferman se curan por sí mismas (hay cientos de miles de resfriados cada año por cada colangiocarcinoma, por ejemplo). La homeopatía es una práctica iniciada en el desconocimiento que hoy se mantiene basada en el negocio y en la ignorancia. Si admites la existencia de átomos y moléculas, automáticamente el gasto en estudios sobre los efectos de la homeopatía es tan lógico como el gasto en enviar sondas a Saturno a buscar botijos que orbiten el planeta. En ambos casos las base teórica es igualmente absurda.

[3] Como hemos apuntado en la nota [1] hasta que no se pudieron hacer predicciones que eran ciertas si, y solo si, la hipótesis atómica era correcta, como las que se derivan de la teoría del movimiento browniano de Einstein, ningún resultado fue concluyente.

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

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Presión y volumen de un gas - Cuaderno de Cultura Científica

[…] la entrega anterior preguntándonos por qué las bombas de pistón manuales, también llamadas bombas de elevación o aspirantes, no […]

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