Gases, líquidos y Presión

 

La Tierra: dos terceras partes de su superficie son agua

Tomamos a los líquidos más o menos por sentado. De cuando en cuando pensamos en sus únicas propiedades: las olas en el mar, por ejemplo, o la manera en que podemos colorear un contenedor tan sólo poniendo un líquido en él, pero nuestro asombro a penas y atraviesa este umbral. La realidad es que los líquidos se encuentran entre las substancias más raras del universo y buena parte de la astronomía mundial se ocupa en su búsqueda en otro lugar que no sea la Tierra. Esto es cierto de los líquidos en general, pero especialmente cierto para un líquido particular: el agua.

El agua líquida requiere de circunstancias más bien raras para existir. Solo puede ser encontrada a temperaturas fluctuando entre los 0 y los 100 grados centígrados y en atmósferas tan densas como la de la tierra, la cual es aproximadamente de 100 kilopascales. En mundos con diferentes presiones sería posible congelar el agua a temperaturas superiores a los 0 grados centígrados, o hacerla hervir debajo de los 100 grados. Con pequeñas variaciones esto incluso sucede en la tierra, en la medida que la presión de la atmósfera varía dependiendo qué tan cerca o lejos se encuentre uno del nivel del mar. Pero lo cierto es que planetas con la dosis exacta de presión atmosférica y temperatura creando agua líquida son raros en el cosmos. Hasta este momento no ha sido posible encontrar ninguno.

El objetivo de las misiones Kepler y Phoenix está íntimamente relacionada con la búsqueda de agua: en el caso de Kepler es encontrar planetas capaces de mantener agua en la atmósfera, mientras que para Phoenix, es la localización de agua congelada en Marte.

Lo cierto es que, como dirían los hippies, el agua “fluye”: no es tan rígida como los sólidos, ni superficial como los gases. ¿Por qué? 

Elementos y vacío

Los átomos son los constituyentes fundamentales de los elementos químicos. Los átomos, a su vez, se sujetan en estructuras llamadas moléculas. En el caso de los sólidos, las moléculas poseen una estructura firme como una pared de ladrillos; para los gases, las moléculas son pequeñas y se detienen muy sutilmente unas con otras. En los líquidos, las moléculas se organizan en estructuras lo suficientemente libres para que resbalen unas sobre las otras, como niños tomados de la mano en grupos y paseando unos con otros.

¿Cuál es el mecanismo condicionando la conversión de un estado a otro? Fundamentalmente dos: la presión y la temperatura. Aquí estudiaremos al primer protagonista, la presión.

Los griegos fueron los primeros en tratar de entender a las substancias mediante una explicación racional, y aunque sus razonamientos son un tanto extraños para nosotros, el que intentaran comprender su entorno en lugar de dado por sentado, u cederlo al misterioso mundo de los dioses, fue ya un progreso muy significativo. Así, decían que el mundo se componía de cuatro elementos: aire, agua, tierra y fuego. Ninguno de ellos es un elemento tal y como aparecen en la actualidad en la tabla periódica. El aire es un gas, el agua una substancia líquida, la tierra un compuesto de substancias tan diferentes como es posible imaginar, y el fuego un estado de la materia conocido como “plasma”. Esta clase de especulaciones invadieron el terreno de lo que hoy conocemos como presión. 

Consideremos la bomba de agua. Mediante un pistón se aprieta un contenedor desembocando a un depósito de agua, sacando el aire creando un vacío. Pero el filósofo griego Aristóteles decía que la naturaleza “odiaba al vacío” (el horror vacui de los latinos, el miedo a «la nada»), y que merced de esta fobia lo llenaba de lo que tenía a la mano, en este caso agua. Para Aristóteles el universo era como si pensara, sintiera, tuviera filias o fobias.

Galileo, como era su especialidad, cuestionó las enseñanzas de Aristóteles. Ya lo había hecho anteriormente cuando señaló –con razón- que una pluma y una roca caerían al mismo tiempo en el vacío. Sin embargo, murió antes de poder realizar un experimento demostrando o no las suposiciones de Aristóteles, dos mil años antes.

 

Evangelista Torricelli

El barómetro

Su estudiante, Evangelista Torricelli, terminó lo que su maestro no pudo en el año de 1644. Escogieron el mercurio (que es treinta y una veces y media más denso que el agua), del que llenaron un tubo de vidrio, de 1 m de longitud aproximadamente, y, cerrando el extremo abierto, introdujeron el tubo en una cubeta con mercurio y quitaron el tapón. El mercurio empezó a salir del tubo y a llenar la cubeta; pero cuando su nivel hubo descendido hasta 726 mm sobre el nivel de la cubeta, el metal dejó de salir del tubo y permaneció a dicho nivel. Es decir, ¡la naturaleza no había llenado el vacío! Casi una tercera parte del tubo se había quedado sin aire sin que el mercurio recurriera a su llenado.

Diferentes tipos de barómetros

Pero había más. El mercurio tampoco subía siempre a la misma altura. En 1660 el científico inglés Robert Hooke observó cómo su nivel disminuía poco antes de una tormenta. Este fue un elemento crucial en una ciencia naciente: la meteorología. A la invención de Torricelli y otro alumno de Galileo, Viviani, se le dio el nombre de barómetro, y Viviani fue el primero en sugerir que el mercurio era sostenido por el peso de la atmósfera: cuánto mayor fuera el peso de la atmósfera, tanto más bajaría el mercurio. A más ligera, mayor sería su nivel de ascenso.

Descripción física de Presión

En física, la presión se establece como la fuerza divida entre el área sobre la cual actúa.

Presión = Fuerza/área

De modo que hay dos formas de aumentar la presión: incrementando la fuerza, o bien disminuyendo el área.

Para visualizar esto se pide experimentar la presión que se efectúa manteniendo un cuaderno con hojas tamaño carta en nuestra mano: Si lo recostamos de forma tal que la “cara” del cuaderno descanse en nuestra mano, sentiremos una presión muy diferente a si lo levantamos y dejamos que sea la parte de las hojas la que toque la piel.

Mediante la segunda ley de Newton se establece que la fuerza es resultado de multiplicar la masa por la aceleración (F=ma), en este caso la masa es la fuerza del cuaderno multiplicada por la aceleración de la gravedad, que es aproximadamente de 9.9 m/s2. Esa fuerza, es el peso del cuaderno, y evidentemente no cambia si lo tengo de una forma u otra. Lo que si cambia es la superficie del cuaderno, y por lo tanto el área donde se aplica la fuerza. A eso se le conoce como presión. Recordémoslo: la presión es una fuerza en un área, o en términos matemáticos la fuerza dividida entre el área. Si queremos aumentar la presión sin cambiar la fuerza, lo que queda a hacer es disminuir el área.

En futuros artículos hablaremos de una cualidad fundamental de los líquidos: el principio de Arquímedes.