CONTENIDO
1. Mec�nica
2. Propiedades de los Fluidos
3. Gases
4. Fen�menos T�rmicos
5. Sonido y Luz
6. Varios
7. Ap�ndice
Bajar Parte 1
Bajar Parte 2
Bajar Parte 3
Escribir @ Antonio
Cap�tulo Cuarto
Fen�menos T�rmicos
111. El origen de la escala de Reaumur.
�Por qu� en la escala de Reaumur el punto de ebullici�n del agua est� se�alado con el n�mero 80?
El term�metro original de Reaumur se parec�a muy poco al actual. No era de mercurio, sino de alcohol. Reaumur gradu� su escala partiendo de un solo punto de referencia constante, o sea, de la temperatura de fusi�n del hielo, marcado con el n�mero 1000, y utilizando alcohol cuyo coeficiente de dilataci�n t�rmica era igual a 0,0008. El inventor estableci� que la divisi�n de un grado de la escala termom�trica ha de equivaler al aumento del volumen de alcohol en una mil�sima parte. En este caso el punto de ebullici�n del agua deber�a estar 80 grados m�s alto que el punto de fusi�n del hielo y corresponder�a a 1080 grados. Posteriormente se�al� el punto de fusi�n del hielo con 0, por lo cual el de ebullici�n del agua fue designado (y lo es hasta hoy d�a) con 80 grados.
112. El origen de la escala de Fahrenheit
�Por qu� en la escala de Fahrenheit el punto de ebullici�n del agua est� marcado con el n�mero 212?
El invierno de 1709 en Europa Occidental fue muy duro. Durante un siglo no hizo tanto fr�o all�. De modo que era natural que el f�sico dan�s Fahrenheit, que viv�a en la ciudad de Dantzig, para se�alar los puntos constantes de la escala de su term�metro, adoptase por cero la temperatura m�nima que se registr� aquel invierno. Una mezcla refrigerante de hielo, sal com�n y sal amon�aca le permiti� bajar la temperatura hasta tal grado.
Para marcar otro punto constante de su term�metro, Fahrenheit, siguiendo a sus antecesores (entre ellos Isaac Newton), eligi� la temperatura normal del cuerpo humano. En aquel tiempo generalmente se cre�a que la temperatura del ambiente nunca supera la de la sangre humana, y se supon�a que si tal cosa sucede, el hombre morir� (�ste es un criterio absolutamente err�neo).
En un principio, Fahrenheit marc� este segundo punto constante con el n�mero 24, por la cantidad de horas del d�a solar medio, pero posteriormente se dio cuenta de que semejantes divisiones de la escala termom�trica eran demasiado grandes. El inventor dividi� cada grado en cuatro partes, por lo cual la temperatura del cuerpo humano se design� con el n�mero 24 � 4 = 96. De esta manera estableci� definitivamente el valor de la divisi�n equivalente a un grado. Graduando la escala de abajo arriba, determin� que la temperatura de ebullici�n del agua era igual a 212 grados.
�Por qu� Fahrenheit no utiliz� la temperatura de ebullici�n del agua como el segundo punto constante de su term�metro? No lo hizo porque sab�a cu�n variable es esta magnitud que depende de la presi�n del aire. La temperatura del cuerpo humano le parec�a m�s segura, pues es m�s constante. A prop�sito, es interesante se�alar (y es muy f�cil comprobarlo mediante el c�lculo) que en aquel entonces se cre�a que la temperatura normal del cuerpo humano era igual a 35,5 grados cent�grados (un grado menos que ahora).
113. Longitud de las divisiones de la escala termom�trica.
�Son iguales las divisiones de la escala en el term�metro de mercurio? �Y en el otro, de alcohol?
Por supuesto, la dimensi�n de las divisiones de la escala termom�trica est� sujeta al valor del coeficiente de dilataci�n t�rmica del l�quido contenido en �l. Consta que al elevar la temperatura aumenta el coeficiente de dilataci�n t�rmica de todos los l�quidos; cuanto m�s se acerca al punto de ebullici�n, tanto m�s aumenta.
Lo que acabamos de enunciar, nos permite comprender f�cilmente la diferencia entre las escalas del term�metro de mercurio y de alcohol en lo que se refiere a la dimensi�n de sus divisiones. Por lo general, los term�metros de mercurio est�n destinados a medir temperaturas muy diferentes del punto de ebullici�n de ese l�quido (357 �C). En el intervalo de 0 a 100 �C el coeficiente de dilataci�n del mercurio no crece considerablemente y, dado que la capacidad del tubo de vidrio del term�metro tambi�n aumenta al elevar la temperatura, no se advierte la irregularidad de dilataci�n del mercurio en dicho intervalo. Por ello, la escala del term�metro de mercurio es casi uniforme.
A su vez, el alcohol se utiliza en los term�metros destinados a medir la temperatura pr�xima al punto de ebullici�n de ese l�quido (78 �C), por lo cual es ostensible el aumento de su coeficiente de dilataci�n t�rmica al aumentar la temperatura. Si el volumen del alcohol a 0 �C se toma igual a 100, su volumen a 30 �C equivaldr� 103, y a 780C ser� 110.
Queda claro que las divisiones de la escala del term�metro de alcohol deben aumentar desde cero hacia arriba.
114. La graduaci�n del term�metro
Un folleto traducido del franc�s al ruso por Le�n Tolstoi, contiene la siguiente cr�tica relativa a los term�metros:
�El grado no es igual al comienzo y al final de la escala termom�trica; el hecho de que los grados son espacios iguales, demuestra que la raz�n de cada uno de ellos al volumen del l�quido que se dilata a todo lo largo del tubo, no puede ser constante.�
O sea, si, por ejemplo, la longitud de la divisi�n correspondiente a un grado mide 1 mm, la columna de mercurio de tanta altura a 0 �C contiene una parte mayor del volumen de mercurio que la misma columna de este l�quido a 100 �C, cuando aumenta su volumen total. �Por tanto, concluye el autor, no podemos dar por iguales los correspondientes intervalos de temperatura.� �Tendr� alg�n fundamento esta cr�tica?
El autor del folleto (y tambi�n Le�n Tolstoi, quien compart�a su punto de vista) pretende refutar la siguiente tesis, sobre la cual est� basado el dise�o de la escala termom�trica:
�Iguales intervalos de temperatura corresponden a incrementos absolutamente iguales de volumen de la sustancia termom�trica.�
Descartando esta tesis, el cr�tico propone sustituirla con la que sigue, que da como la �nica correcta:
�Iguales intervalos de temperatura corresponden a incrementos relativamente iguales de volumen de la sustancia termom�trica.�
No obstante, discutir cu�l de estas dos afirmaciones es verdadera, ser�a lo mismo que discutir cu�l de las unidades de longitud es m�s id�nea para medir la distancia, el metro o el pie. Ambas tesis son convencionales, de modo que s�lo se puede hablar de cu�l de ellas es m�s conveniente, es decir, cu�l de las dos hace m�s clara la ciencia del calor.
Semejante planteamiento ya hab�a sido enunciado en su tiempo por Dalton, por lo cual se denomina �escala de Dalton�. �sta, si hubiera sido aceptada, no tendr�a puntos de cero absoluto: en general, toda la ciencia del calor, quedar�a reformada considerablemente. Esta reforma, lejos de simplificar, complicar�a extremadamente la enunciaci�n de las leyes de la naturaleza. Por lo tanto, la escala daltoniana fue rechazada.
115. Expansi�n t�rmica del hormig�n armado.
�Por qu� no se separan los componentes del hormig�n armado, el hormig�n y el entramado met�lico, durante el calentamiento?
El coeficiente de dilataci�n t�rmica del hormig�n (0,000012) es igual al del hierro; cuando var�a la temperatura, ambos materiales se dilatan de igual manera y por eso no se separan uno de otro.
116. La expansi�n t�rmica m�xima.
Cite un s�lido que se expande m�s que los l�quidos al calentarlo.
Cite un l�quido que se expande m�s que los gases durante el calentamiento.
La cera es el s�lido que se dilata m�s que los otros, incluso m�s que muchos l�quidos. Su coeficiente de dilataci�n t�rmica es de 0,0003 a 0,0015, dependiendo de la especie, es decir, es 25 � 120 veces mayor que el del hierro. Como el coeficiente de dilataci�n c�bica del mercurio vale 0,00018, y del queroseno, 0,001, la cera se dilata m�s que el mercurio, adem�s, algunas de sus especies se expanden m�s que el queroseno.
El l�quido que se dilata m�s que los restantes es el �ter cuyo coeficiente de dilataci�n es 0,0016. Pero esta sustancia no bate el r�cord de dilataci�n t�rmica: hay un l�quido que se expande 9 veces m�s que ella, a saber, el anh�drido carb�nico l�quido (CO 2 ) a 20 �C. Su coeficiente de dilataci�n t�rmica es 0,015, o sea, supera 4 veces al de los gases. Por lo general, el coeficiente de dilataci�n t�rmica de los l�quidos aumenta m�s r�pidamente al acercarse a la temperatura cr�tica, superando muchas veces al de los gases.
117. La expansi�n t�rmica m�nima.
�Qu� sustancia se dilata menos que otras durante el calentamiento?
El vidrio de cuarzo posee el menor coeficiente de dilataci�n t�rmica: 0,0000003, o sea, 40 veces menor que el del hierro. Se puede sumergir en agua helada un matraz de vidrio de cuarzo, caldeado hasta 1000 �C (este vidrio funde a 1625 �C), sin temor a que se rompa. El coeficiente de dilataci�n t�rmica del diamante tambi�n es muy peque�o, 0,0000008, aunque supera un poco el del vidrio de cuarzo.
El metal que tiene el menor coeficiente de dilataci�n t�rmica es una marca de acero llamada invar (del franc�s invar, abrev. de invariable). Esta aleaci�n consiste en acero con 36 % de n�quel, 0,4 % de carbono y otro tanto de manganeso. Su coeficiente de dilataci�n es 0,0000009, y el de algunas de sus marcas es menor a�n, 0,00000015, es decir, 80 veces menor que el del acero ordinario. M�s a�n, hay marcas de invar que no se dilatan en absoluto en ciertos intervalos de temperatura.
A su coeficiente de dilataci�n �nfimo debe este metal sus numerosas aplicaciones; en particular, se emplea con �xito para fabricar piezas de mecanismos de precisi�n (p�ndulos de reloj) y aparatos para medir longitudes.
118. Anomal�as de la expansi�n t�rmica.
�Qu� s�lido se contrae cuando se calienta y se dilata cuando se enfr�a?
Por lo general, a la pregunta de cu�l de los cuerpos se dilata al ser enfriado, se suele responder a la ligera: el hielo, olvidando que el agua posee esta dilatabilidad an�mala s�lo en estado l�quido. El hielo, en cambio, no se dilata al ser enfriado, sino que se contrae, lo mismo que la mayor�a de los cuerpos de la naturaleza.
No obstante, existen otros s�lidos que se dilatan cuando se enfr�an por debajo de cierta temperatura. En primer lugar, son el diamante, el �xido cuproso y la esmeralda. El diamante comienza a dilatarse al ser enfriado considerablemente, a saber, a 42 �C bajo cero, mientras que el �xido cuproso y la esmeralda presentan la misma particularidad con un fr�o moderado, de unos 4 �C bajo cero. Luego a 42 y 4 grados cent�grados bajo cero, respectivamente, estos cuerpos tienen la densidad m�xima, lo mismo que el agua a +4� C.
El yoduro de plata cristalino (el mineral llamado yodirita, yodargirita o yodargira) se dilata al ser enfriado a temperatura ordinaria. Una varilla de goma extendida por una pesa presenta la misma particularidad: se acorta al ser calentada.
119. Un agujero abierto en una plancha de hierro.
En el centro de una plancha de hierro de 1 m de ancho hay un agujero de 0,1 mm (de grosor de un cabello humano).
�C�mo debe variar la temperatura del metal para que el agujero se cierre por completo?
Ser�a err�neo creer que si la plancha se calienta considerablemente, el orificio se cerrar� a consecuencia de la dilataci�n t�rmica. Por m�s que se la caliente, ser� imposible obtener semejante resultado, puesto que durante el calentamiento aumentan las dimensiones de los orificios. Esto lo explica el razonamiento siguiente.
Si no hubiera agujero, la sustancia que estar�a en su lugar, se dilatar�a de la misma manera que el resto de la plancha: en otro caso esta �ltima se plegar�a o romper�a; al contrario, se sabe que un cuerpo homog�neo que experimenta dilataci�n t�rmica, no se pliega ni se rompe. Queda claro, pues, que la plancha con agujero se dilatar�a como si no lo tuviera: o sea, durante el calentamiento el orificio aumentar�a de la misma manera que cualquier parte de la plancha de �rea igual. Por consiguiente, la capacidad de los recipientes y el �rea de la secci�n interior de las tuber�as, as� como las cavidades de los cuerpos aumentan durante el calentamiento (y disminuyen durante el enfriamiento); en este caso el coeficiente de dilataci�n es el mismo que el de la sustancia que compone todo el cuerpo.
As� pues, es imposible cerrar un agujero calentando el objeto en el cual est� practicado; por el contrario, su volumen aumentar�. �Ser�a posible obtener este resultado mediante el enfriamiento? �Ser�a posible enfriar la plancha de hierro de modo que el agujero desaparezca?
A consecuencia de que el coeficiente de dilataci�n del hierro es 0,000012, mientras que s�lo es posible enfriarlo hasta 273 �C bajo cero, queda claro, pues, que el di�metro del agujero no se podr�a disminuir m�s que en 0,000012 � 273, o sea, aproximadamente en 0,003. Consiguientemente, por m�s que cambie la temperatura, ser�a imposible cerrar un orificio practicado en un s�lido, por peque�o que sea.
120. La fuerza de dilataci�n t�rmica.
�Es posible impedir mec�nicamente la dilataci�n t�rmica de una barra met�lica o de la columna de mercurio?
Es sabido que la dilataci�n y contracci�n t�rmicas poseen fuerza considerable. El f�sico ingl�s J. Tyndall realiz� un experimento, en el cual una barra de hierro, al contraerse debido al enfriamiento, rompi� una varilla de hierro del grosor de un dedo. Por esta raz�n, muchos piensan que es imposible contrarrestar la fuerza de dilataci�n t�rmica de una barra o un l�quido sometidos a calentamiento.
Este criterio es err�neo: a pesar de que son enormes las fuerzas moleculares que condicionan la dilataci�n t�rmica, se trata de magnitudes finitas. Por ello, es f�cil calcular la fuerza que se ha de aplicar a una varilla de hierro de 1 cm 2 de secci�n transversal para impedir que se alargue al calentarla de 0 a 20 �C. S�lo se necesita conocer el coeficiente de temperatura de dilataci�n lineal del material (el del hierro es igual a 0,000012 �C -1 ) y su resistencia al alargamiento mec�nico caracterizada por el llamado m�dulo de elasticidad, o m�dulo de Young (el del hierro es de 20.000.000 N/cm 2 ; quiere decir que al aplicar una fuerza de 10 N por cent�metro cuadrado a una varilla de hierro, su longitud aumentar� en dos millon�simas y disminuir� en la misma magnitud al comprimirla con la misma fuerza).
He aqu� el c�lculo correspondiente. Supongamos que hay que impedir que una varilla de hierro de 1 cm 2 de secci�n transversal se alargue en
de su longitud. Para acortar la varilla en dos millon�simas se requiere un esfuerzo mec�nico de 10 N. Por consiguiente, para acortarla en 0,00024 de su longitud, har� falta un esfuerzo de
De modo que si aplicamos a cada uno de los extremos de semejante varilla un esfuerzo de 500 N aproximadamente, entonces, al calentarla de 0 a 20 �C, su longitud no aumentar�. En este caso la fuerza de dilataci�n de la varilla tambi�n valdr� 500 N.
De la misma manera se calcula la presi�n que impide que la columna de mercurio del tubo del term�metro se alargue durante el calentamiento. Tomemos el mismo intervalo de temperatura, de 0 a 20 �C. El coeficiente de dilataci�n del mercurio es 0,00018; bajo la presi�n de 1 at su volumen disminuye en 0,000003 del inicial. En nuestro caso tenemos que impedir que el mercurio se dilate en
Por lo tanto, para evitar la dilataci�n del l�quido, habr� que aplicar una presi�n de
Este hecho comprueba que si el canal del term�metro se llena con nitr�geno comprimido hasta una presi�n de 50 � 100 at (v�ase la respuesta 114), el grado de dilataci�n de la columna de mercurio no variar� de manera notable.
121. Calentamiento del nivel de burbuja.
La longitud de la burbuja del nivel var�a al cambiar la temperatura ambiente.
�Cu�ndo la burbuja tiene dimensiones mayores, cuando hace fr�o o calor?
Con frecuencia a esta pregunta se suele responder que en �pocas calurosas las dimensiones de la burbuja son mayores que en tiempo de fr�o, puesto que el gas contenido en ella se expande debido al calor. No obstante, se olvida que en semejantes condiciones el gas no puede dilatarse: se lo impide el l�quido encerrado en la ampolla. Se calientan todos los elementos del utensilio, tanto el bastidor y el tubo de cristal como el l�quido y el gas de la burbuja. El bastidor y el tubo se dilatan muy poco; en cambio, el l�quido se dilata m�s que el tubo y, por ende, deber� comprimir la burbuja.
As� que, cuando hace calor, las dimensiones de la burbuja del nivel son menores que cuando hace fr�o.
122. Corrientes de aire.
He aqu� un fragmento tomado de una revista t�cnica, que describe las condiciones que favorecen la ventilaci�n natural de los locales con calefacci�n.
�En los locales con calefacci�n central las condiciones son muy desfavorables para la ventilaci�n natural, pues, el aire s�lo circula de arriba abajo. Por ello, en tales locales hay que dejar abierto el postigo de la ventana durante largo tiempo o poner a funcionar ventiladores.
Todo orificio sirve para ventilar la habitaci�n. El aire viciado, teniendo temperatura m�s alta, sale por �l, y el aire fresco ocupa su lugar entrando por las rendijas de las puertas y las ventanas y aun col�ndose por las paredes. Si en la habitaci�n hay una chimenea, la ventilaci�n es m�s intensa. Al quemar le�a se consume parte del ox�geno contenido en el aire que hay en la habitaci�n. Los productos de combusti�n salen por la chimenea, y el aire fresco entra en el cuarto ocupando su lugar.�
�Es correcta la descripci�n de las corrientes de aire?
Este fragmento est� redactado en la forma en que se sol�a razonar hace m�s de trescientos a�os, cuando ni se sospechaba la existencia de atm�sfera, y los cuerpos de la naturaleza se clasificaban en cuerpos pesados que se precipitan a la tierra, y ligeros, que siempre suben. No se debe creer que el aire templado sale por el respiradero, mientras que el aire fresco entra desde afuera en el local para ocupar su espacio, ya que el aire templado no sube por s� mismo, sino que es desplazado hacia arriba por el aire fr�o que desciende. En el fragmento citado est�n confundidos la causa y el efecto.
El mism�simo Torricelli, cuya famosa experiencia puso fin al temor del vac�o, ridiculiz� ingeniosamente la teor�a que sosten�a que los cuerpos ligeros tienden a emerger en el ambiente. En una de sus Lecturas Acad�micas dice lo siguiente:
�Un d�a las nereidas decidieron crear su curso de f�sica. En lo profundo del oc�ano instalaron su academia y se pusieron a explicar los fundamentos de la f�sica, de la misma manera que solemos hacer en nuestras escuelas los que habitamos el oc�ano de aire. Las curiosas nereidas echaron de ver que entre todos los objetos que ellas utilizaban bajo el agua, unos bajaban, en tanto que otros sub�an. Entonces las ninfas, ni cortas ni perezosas, sin pensar en c�mo se comportar�an esos mismos objetos si se encontrasen en otros medios, dedujeron terminantemente que unos cuerpos, por ejemplo, la tierra, las piedras y los metales son pesados, pues bajan al fondo; otros, como el aire, la cera y la mayor�a de las plantas, son ligeros, ya que aparecen a flor de agua...
El equ�voco de las j�venes ninfas, que clasificaron de ligeros los cuerpos que solemos catalogar entre los pesados, es bien perdonable. Me imagin� que he nacido y crecido en un anchuroso mar de mercurio. Enseguida se me ocurri� redactar un tratado de cuerpos pesados y ligeros. Empec� a disertar de la manera siguiente: como vivo en lo profundo de este mar, estoy acostumbrado a guardar todos los materiales, excepto el oro, bien amarradas para que no emerjan en la superficie. Por tanto, todos los cuerpos en general son ligeros y tienen la virtud natural de subir en el agua, menos el oro que se precipita en el mercurio. Ser�a muy distinta la f�sica ideada por las salamandras (si es cierto que �stas residen en el fuego); seg�n ellas, todos los cuerpos, incluido el aire, ser�an pesados.�
�Un libro de Arist�teles contiene la definici�n siguiente: se considera pesado aquel objeto que tiende hacia abajo; y se considera ligero aquel que tiende hacia arriba. �Habr� poca diferencia entre estas definiciones y las que se atribuyen a las nereidas, que concuerdan con las observaciones, pero no han sido rectificadas por la raz�n?�
Al cabo de tres siglos que transcurrieron desde entonces, no hemos logrado superar las nociones pretorricellianas , pues a�n se encuentran afirmaciones sobre el aire templado que �tiende hacia arriba� y el fr�o que �ocupa su lugar�.
123. La sart�n de cobre y la sart�n de hierro fundido.
�En qu� caso el guisado se achicharra m�s, cuando se prepara en una sart�n de cobre o en una de hierro fundido? �Por qu�?
La conductividad t�rmica del hierro fundido es 7,5 veces mayor que la del cobre; quiere decir que en una unidad de tiempo una capa de hierro fundido transmite una cantidad de calor 7,5 veces mayor que otra de cobre del mismo espesor, siendo la misma la diferencia de temperatura a ambos lados de la capa. Queda claro, pues, que en una sart�n de hierro fundido puesta sobre el hornillo el guisado se achicharra m�s que en otra, de cobre.
124 Enmasillado de las rendijas de las ventanas.
En los pa�ses de clima fr�o, las ventanas de los edificios tienen bastidores dobles para disminuir las p�rdidas de calor durante el invierno. Adem�s, suelen enmasillar las rendijas entre los cristales y el bastidor; no obstante, hay quien aconseja dejar sin enmasillar la rendija superior del marco exterior de las ventanas.
Explique el fundamento f�sico de este consejo.
Este consejo no tiene ning�n fundamento f�sico: si se deja sin enmasillar alguna rendija, aumenta el escape de calor desde el interior del local, puesto que el segundo marco encristalado colocado en las ventanas disminuye las p�rdidas de calor si el aire comprendido entre los cristales no se comunica en absoluto con el espacio interior y el exterior. Pero si el marco exterior tiene una rendija no enmasillada, el aire fr�o exterior desplazar� el menos fr�o que se encuentra entre los cristales, se calentar� y ser� desplazado a su vez por una nueva porci�n de aire fr�o colado desde afuera. Como en este caso el aire que ingresa, se calienta entre los cristales a expensas del calor del local, debido al cambio de aire en el espacio entre los marcos disminuir� la temperatura ambiente de la habitaci�n. Cuanto mejor est�n enmasilladas las rendijas, tanto mayor ser� el efecto termoaislante de los marcos de ventana.
125. En una habitaci�n bien calentada.
El calor s�lo es capaz de transmitirse de cuerpos con temperatura m�s alta a otros, cuya temperatura es m�s baja. En una habitaci�n donde hace mucho calor, la temperatura del cuerpo humano es mayor que la del ambiente.
�Por qu� tenemos calor en este caso?
La temperatura de la superficie del cuerpo humano es de 29 (las plantas de los pies) a 35 �C (la cara), mientras que la del ambiente de las viviendas no suele exceder los 20 �C. Por ello, nuestro cuerpo no puede recibir directamente calor del medio circundante. �Por qu�, pues, tenemos calor cuando nos encontramos en una habitaci�n?
Tenemos calor no porque nuestro cuerpo lo absorbe del ambiente, sino porque la capa de aire que nos envuelve, lo conduce mal e impide que el cuerpo pierda calor, o sea, disminuye sus p�rdidas. La capa de aire inmediata a nuestro cuerpo se calienta por el calor procedente de �ste y es desplazada hacia arriba por otro aire, m�s fr�o; este �ltimo, a su vez, tambi�n se calienta y cede su lugar a otra porci�n de aire, etc. Es cierto que el aire templado debe absorber menos calor de nuestro cuerpo que el fr�o. Por eso tenemos calor estando en un cuarto con buena calefacci�n.
126. La temperatura del agua en el fondo de un r�o.
�Cu�ndo es m�s alta la temperatura del agua de la capa cercana al fondo de un r�o profundo, en verano o en invierno?
Muchas veces se dice que en el fondo de r�os profundos la temperatura es una misma, de 4 �C sobre cero durante todo el a�o, pues a esta temperatura la densidad del agua es m�xima. Para los estanques y lagos de agua dulce esta afirmaci�n es cierta. Pero en los r�os, contrariamente a lo que se afirma, la distribuci�n de temperaturas es distinta.
El agua de los r�os no s�lo se desplaza en el sentido longitudinal, sino tambi�n en el transversal, aunque estas corrientes no se advierten a simple vista. De modo que el agua se mezcla constantemente, por lo cual su temperatura junto al fondo es la misma que junto a la superficie.
La respuesta correcta a la pregunta planteada ser�a la siguiente: �Cerca del fondo del r�o m�s profundo la temperatura del agua en verano es m�s alta que en invierno, en tantos grados en cuantos la del ambiente exterior en verano es m�s alta que en invierno.�
127. Congelaci�n de los r�os.
�Por qu� los r�os de corriente r�pida todav�a no se congelan cuando la temperatura ambiental es de algunos grados bajo cero?
Muchos piensan que en invierno los r�os de corriente r�pida se demoran en congelarse porque las part�culas de agua est�n en constante movimiento. En realidad, esto no es cierto. Las mol�culas de agua siguen movi�ndose aun cuando no hay corriente, con una velocidad de varios centenares de metros por segundo, por eso un aumento de velocidad de 1 a 2 m/s no influye mucho. Adem�s, y esto es lo m�s importante, el movimiento del agua del r�o, tanto longitudinal como vorticial, entremezcla considerables masas de agua, sin alterar el movimiento de unas mol�culas respecto a otras, es decir, no cambia el estado t�rmico del cuerpo.
Por otra parte, el hecho de que los r�os se demoran un poco en helarse al comenzar la �poca de fr�o, est� condicionado por el movimiento del agua, pero de una manera algo distinta de lo que se suele creer. El agua que corre r�pidamente no se congela porque se mezcla, desde el fondo hasta la superficie, por lo que tiene una temperatura m�s o menos igual. El agua cercana a la superficie, cuya temperatura ha bajado hasta cero grado, enseguida se mezcla con las capas inferiores, que a�n no se han enfriado, a consecuencia de lo cual la temperatura de la capa superficial vuelve a ser superior a cero. Los r�os comienzan a helarse cuando la temperatura de toda el agua, desde la superficie hasta el fondo del r�o, sea igual a cero. Mas, para ello se necesita alg�n tiempo, tanto mayor cuanto m�s profundo es el r�o.
La congelaci�n de los r�os r�pidos depende del proceso de mezclado del agua. Si el agua fluye lentamente, la corriente transversal no arrastra hacia el fondo los cristales de hielo formados en la capa superficial; �stos, peg�ndose unos a otros, cubren la superficie del agua formando una capa s�lida. Pero si la corriente es rauda, los mismos son arrastrados hacia abajo, se pegan a los objetos que encuentran y se amontonan estorbando la corriente y provocando inundaciones. En Siberia, el Angara, �nico r�o que nace en el lago Baikal, de corriente r�pida, no se hiela largo tiempo a pesar de que hace much�simo fr�o; en esta �poca en el r�o se forman grandes masas de hielo que dificultan la corriente. Pero su afluente Irkut, de corriente lenta, se congela a una temperatura de pocos grados bajo cero. A veces, semejante fen�meno se observa en diferentes tramos de un mismo r�o: si la pendiente es notable, la corriente es r�pida y no se hiela largo tiempo, adem�s, se amontonan fragmentos de hielo que provocan inundaciones. Si, en cambio, la corriente es tranquila, el agua se congela prontamente.
128. La temperatura de la atm�sfera
�Por que en las capas superiores de la atm�sfera hace m�s fr�o que en las inferiores?
Respondiendo a esta pregunta se suele comentar que los rayos solares calientan poco la atm�sfera; la calienta m�s el calor procedente de la superficie terrestre, gracias a la conducci�n del calor.
�La Tierra se calienta con los rayos solares que atraviesan el aire sin calentarlo. Cuando inciden sobre la superficie terrestre, le transmiten su calor. A su vez, esta �ltima calienta la capa de aire inmediata a ella. Por consiguiente, las capas superiores de aire est�n m�s fr�as que las inferiores.�
Esta explicaci�n fue publicada en una de las revistas de divulgaci�n cient�fica como respuesta a la pregunta de uno de los lectores: ��Por qu� en las capas superiores de la atm�sfera hace mucho fr�o?�
Cabe decir que el agua puesta a calentar en una cacerola se encuentra en las mismas condiciones: este l�quido recibe calor del fondo del utensilio que conduce calor, pero sus capas superiores tienen la misma temperatura que las inferiores. Este hecho se debe al mezclado del l�quido calentado por abajo, a la llamada convecci�n. Si la atm�sfera fuera l�quida, entonces, siendo calentada desde abajo, tendr�a temperatura igual en cada uno de sus puntos. En la atm�sfera gaseosa tambi�n hay corrientes provocadas por el calentamiento: el aire fr�o de las capas superiores desciende desplazando desde abajo el aire templado, pero la temperatura no se iguala. �Por qu�?
Uno de los libros de texto da la siguiente respuesta que parece bastante veros�mil. El aire que sube desde la superficie terrestre, realiza trabajo merced a la energ�a de su reserva de calor; por ello, cada kilogramo de aire que asciende a 427 m, debe ceder una cantidad equivalente de calor, en este caso, 1 kcal. Si consideramos que el calor espec�fico del aire es de 0,25 kcal/(kg � grad) aproximadamente, cada 100 m de altura su temperatura debe variar en 1 �C. De hecho se observa una variaci�n similar.
A pesar de que esta explicaci�n concuerda con los datos reales, es del todo err�nea, pues se basa en una suposici�n equivocada de que el aire realiza trabajo mientras asciende. En realidad, en este caso dicho fluido realiza tan poco trabajo como un corcho que emerge en el agua. El corcho no se enfr�a mientras sube a la superficie desde el fondo de un lago ni realiza trabajo, sino que, por el contrario, sobre �l mismo se realiza trabajo. De la misma manera el aire sube, siendo desplazado por la corriente fr�a que realiza trabajo para elevarlo a expensas de la energ�a de la masa de aire fr�o que desciende. Adem�s, �se enfr�a, acaso, una bala disparada hacia arriba que realiza trabajo para subir a cierta altura? Ni mucho menos: mientras disminuye su energ�a cin�tica, aumenta la energ�a potencial, de manera que se observa el balance energ�tico sin que la energ�a mec�nica se convierta en t�rmica.
Ahora queda claro, por qu� es err�nea otra explicaci�n del hecho de que las capas superiores de la atm�sfera tienen temperatura tan baja: las mol�culas del flujo de aire ascendente se desaceleran mientras suben, en tanto que la disminuci�n de su velocidad equivale a la disminuci�n de su temperatura. Esta conclusi�n tambi�n es err�nea, pero equivocadamente la hicieron suya incluso algunos experimentadores de gran talla, aunque Maxwell en su Theory of Heat preven�a de ella.
�La gravedad dec�a �ste, no influye de ninguna manera en la distribuci�n de temperaturas en la columna de aire.� No debemos hacer caso omiso del hecho de que merced a la gravedad todas las mol�culas del gas se desplazan de un modo estrictamente igual, sin alterar la posici�n de unas respecto a otras: se trata pues, de su traslado paralelo. Por esta raz�n, el movimiento de una mol�cula respecto de otras no var�a bajo el efecto de la gravedad, lo mismo que al trasladar un recipiente lleno de gas de un lugar a otro. El movimiento t�rmico de las mol�culas no cambia, por ello, tampoco puede cambiar la temperatura del gas.
En realidad, las corrientes ascendentes de aire se enfr�an a consecuencia de su expansi�n adiab�tica. A1 mezclarse con las capas superiores de la atm�sfera, cada vez m�s enrarecidas, el aire realiza trabajo de expansi�n a expensas de su reserva de calor. Cuando el gas cambia de estado variando tambi�n su presi�n sin recibir energ�a desde afuera (y sin cederla al medio exterior), se dice que semejante cambio de estado es adiab�tico.
En t�rminos cuantitativos, hay que examinar este fen�meno de la manera siguiente. Si junto a la superficie terrestre la temperatura del aire es T o y a la altura h es T h , mientras que la presi�n barom�trica es P o y P h , respectivamente, el descenso de la temperatura a la altura h vendr� dado por la expresi�n siguiente:
Aqu�, k es la raz�n de la capacidad calor�fica del gas a volumen constante con respecto a su capacidad calor�fica bajo presi�n constante; para el aire k = 1,4, por consiguiente,
Por ejemplo, vamos a calcular el descenso de la temperatura del aire a la misma altura de 5,5 km, donde la presi�n barom�trica es dos veces menor que junto a la superficie terrestre. Para simplificar, vamos a examinar el ascenso de una masa de aire seco. Tenemos, pues, la expresi�n que sigue:
de donde
Si junto a la superficie terrestre la temperatura es de 17�C, o 290� K, entonces
Esta magnitud equivale a -49�C, es decir, corresponde a 1�C aproximadamente por cada 100 m de altura.
La presencia del vapor de agua modifica el c�lculo que acabamos de exponer: el descenso de temperatura por cada 100 m de altura, igual a 1 grado cent�grado para el aire seco, disminuye casi en 0,5 grado si el aire contiene vapor de agua.
As� pues, en el seno de la atm�sfera calentada por abajo, la mezcla de masas de aire no puede igualar su temperatura: el aire que asciende, se enfr�a a consecuencia de la expansi�n adiab�tica, mientras que el que desciende, se calienta debido a la compresi�n adiab�tica. Por esta raz�n, las capas superiores de la atm�sfera tienen una temperatura menor que las cercanas a la superficie terrestre.
129. Intensidad de calentamiento.
�Se necesita m�s tiempo para calentar el agua con un mechero de gas de 10 a 20 grados cent�grados o de 90 a 100 grados?
Observando el calentamiento del agua con un reloj en la mano, es f�cil cerciorarse de que el agua tarda m�s en calentarse de 90 a 100�C que de 10 a 20�C; y eso que la cantidad de agua disminuye constantemente a consecuencia de la evaporaci�n. Este enigma se descifra de la siguiente manera: el calor de la llama no s�lo se invierte en la evaporaci�n intensa de l�quido, sino tambi�n se disipa en el ambiente debido a la emisi�n de calor. A temperaturas altas (de 90 a 100�C) el agua emite mayor cantidad de energ�a que a temperaturas bajas (de 10 a 20�C). Por ello, a pesar de que el agua recibe uniformemente calor, su temperatura aumentar� tanto m�s despacio cuanto m�s caliente est� el l�quido.
130. La temperatura de la llama de una vela.
�Qu� temperatura tendr� la llama de una vela este�rica? (un �cido graso s�lido org�nico blanco de apariencia cristalina. No es soluble en agua, pero s� en alcohol y �ter)
Estamos propensos a subestimar la temperatura de las fuentes de luz tan �modestas� como la llama de una vela ordinaria. Por eso, muchos se sorprender�n al enterarse de que la llama de una vela tiene una temperatura de 1600� C (seg�n estableci� O. Lummer con arreglo a la ley de desplazamiento de Wien).
131. Los clavos y la llama.
�Por qu� los clavos no se funden en la llama de una vela?
Com�nmente se suele responder de la siguiente manera: � Pues, porque la llama de una vela no produce suficiente calor�. Pero si acabamos de averiguar que la temperatura de la llama de la vela es de 1600�C, es decir, supera en 100� la de fusi�n del hierro. Resulta, pues, que la llama de la vela da suficiente calor; no obstante, es incapaz de fundir dicho metal.
La causa de esto consiste en que al mismo tiempo que el clavo recibe calor de la llama, lo emite al medio ambiente. Cuanto m�s sube la temperatura del objeto que se calienta, tanto m�s intensa es la p�rdida de calor; finalmente, en cierto momento la emisi�n y el suministro de calor se igualan, por lo cual deja de aumentar la temperatura del objeto sometido al calentamiento.
Si la llama, m�s exactamente, su parte m�s caliente, envolviera todo el clavo, durante el calentamiento la temperatura m�xima de dicho objeto ser�a igual a la de la llama, y �ste se fundir�a. Como la llama s�lo envuelve parte del clavo, mientras que el resto emite calor, el ingreso y la p�rdida de calor se igualar�n mucho antes de que la temperatura del metal se iguale con la de la llama, y aun con la de fusi�n del hierro.
De modo que el clavo no se funde en la llama de la vela porque �sta no lo envuelve enteramente, y no porque produce poco calor.
132. Calentamiento del agua en tres estados.
�Qu� es m�s f�cil de calentar en una misma cantidad de grados, 1 kg de agua l�quida, 1 kg de hielo o 1 kg de vapor de agua?
Lo m�s f�cil es calentar el vapor de agua (su calor espec�fico es de 0,46 kcal/(kg � grad)) y luego el hielo (de calor espec�fico igual a 0,505 kcal/(kg � grad)); la mayor cantidad de calor se necesita para calentar el agua l�quida.
133. Calentamiento de un cent�metro c�bico de cobre
�Qu� cantidad de calor se necesita para calentar en 1 grado cent�grado 1 cm de cobre (de calor espec�fico ~ 0,1)?
A la pregunta sobre la cantidad de calor que se requiere para calentar en un grado 1 cm 3 de cobre, a veces se suele responder equivocadamente: 0,1 cal, o sea, lo que vale el calor espec�fico de este metal, olvidando que el calor espec�fico no se refiere a la unidad de volumen, sino a la unidad de masa, es decir, no corresponde a 1 cm 3 , sino a 1 g. Para calentar en un grado 1 cm 3 de cobre (cuya densidad es de 9 g/cm 3 ) se necesita 0,9 cal en vez de 0,1 cal.
134. Los cuerpos de calor espec�fico m�s elevado
a) �Qu� s�lido necesita la mayor cantidad de calor para su calentamiento?
b) �Qu� l�quido necesita la mayor cantidad de calor para su calentamiento?
c) �Qu� sustancia necesita la mayor cantidad de calor para su calentamiento?
a) Entre los s�lidos, el que mayor cantidad de calor necesita para ser calentado, es el metal litio: su calor espec�fico de 1,04 kcal/(kg � grad) es dos veces mayor que el del hielo.
b) Entre los l�quidos, el mayor calor espec�fico lo tiene el hidr�geno l�quido (6,4 kcal/(kg � grad)), y no el agua, como se suele creer las m�s de las veces. El calor espec�fico del amon�aco licuado tambi�n es mayor que el del agua (aunque no lo supera mucho).
c) Entre los cuerpos de la naturaleza, s�lidos, l�quidos y gaseosos, el que mayor cantidad de calor requiere para ser calentado, es el hidr�geno. El calor espec�fico de esta sustancia al estado gaseoso (a presi�n constante) es de 3,4, y al estado l�quido, de 6,4 kcal/(kg � grad). El calor espec�fico del helio al estado gaseoso (1,25 kcal/(kg � grad)) es m�s elevado que el del agua.
135. El calor espec�fico de los alimentos
Para conservar los alimentos en fr�o se necesita conocer su calor espec�fico. �Conoce usted el calor espec�fico de la carne, el huevo, el pescado y la leche?
He aqu� los datos relativos al poder calor�fico (en kcal/kg) de los alimentos enumerados al plantear el problema: carne 1797, pescado 836, huevo 1649 y leche 668.
136. El metal m�s fusible.
�Cu�l de los metales que se mantienen s�lidos a temperatura ambiente, se funde m�s f�cilmente?
Entre las aleaciones que se encuentran en estado s�lido a temperatura ambiente, es muy fusible la aleaci�n de Wood que consta de esta�o (4 partes), plomo (8 partes), bismuto (15 partes) y cadmio (4 partes) y funde a 70 �C. Adem�s, existe otra aleaci�n, m�s fusible a�n, que tambi�n debe su nombre a su inventor Lipowitz; �sta contiene menor cantidad de cadmio que la de Wood (3 partes en vez de 4) y funde a 60�C.
No obstante, estas aleaciones no ocupan el primer lugar entre los metales m�s fusibles. El metal galio funde a una temperatura menor a�n, a 30 �C, es decir, se derruir�a en la boca de la persona, por decirlo as�. El galio es el elemento 31 de la tabla de Mendel�ev, �pronosticado� por D. Mendel�ev en 1870 y descubierto por P.E. Lecoq de Boisbaudran en 1875.
El galio se utiliza fundamentalmente en los term�metros en vez del mercurio; su fusi�n empieza a 30 �C y la ebullici�n, s�lo a 2300�C, es decir, este elemento permanece en estado l�quido en un intervalo de temperatura muy amplio de 30 a 2300�C. Como existen marcas de vidrio de cuarzo que funden a 3000�C, t�cnicamente es posible fabricar term�metros de galio. Ya se fabrican term�metros de galio para temperaturas de hasta 1500�C.
137. El metal m�s refractario
Cite el metal m�s refractario.
Hace mucho que el platino, cuya temperatura de fusi�n es de 1800�C, ha dejado de ocupar el primer puesto entre los metales refractarios. Se conocen metales cuyas temperaturas de fusi�n superan en 500 � 1000 grados la e1 platino. Entre ellos figuran el iridio (2350�C), el osmio 1700�C), el tantalio (2800�C) y el tungsteno (3400�C).
El tungsteno es el metal m�s dif�cilmente fusible entre los que se conocen (se emplea para los filamentos de l�mparas de incandescencia).
138. Calentamiento del acero
�Por qu� se destruye el entramado de acero de los edificios durante el incendio, aunque este metal no se inflama ni se funde por las llamas?
Las barras de acero se vuelven menos resistentes cuando sufren la acci�n de una temperatura muy alta. A los 500�C su resistencia a la rotura es dos veces menor que a 0�C; a los 600�C es tres veces menor; a los 700�C disminuye casi siete veces. (He aqu� datos m�s exactos: si adoptamos por unidad su resistencia a 0�C, entonces la resistencia a 500�C valdr� 0,45; a 600�C, 0,3; a 700�C, 0,15.) Por esta raz�n, durante los incendios las estructuras de acero se desploman bajo la acci�n de su peso.
139. Una botella de agua colocada dentro de trozos de hielo.
a) �Se podr�a colocar una botella tapada llena de agua dentro de una masa de hielo en derretimiento sin temor a que se rompa?
b) Una botella llena de agua se encuentra dentro de una masa de hielo a 0 �C, y otra, dentro de agua a la misma temperatura. �En cu�l de las botellas el agua se congelar� antes?
a) Si se congelara el agua contenida en la botella, el vidrio se romper�a a consecuencia de la dilataci�n del hielo. No obstante, en las condiciones especificadas el agua no se helar�. Para ello no s�lo habr�a que reducir la temperatura hasta 0�C, sino tambi�n har�a falta disminuir el calor latente de fusi�n en 80 calor�as por cada gramo de agua que se congela. El hielo, dentro del cual se encuentra la botella, tiene una temperatura de 0�C (se derrite) y, por consiguiente, el agua no transmitir� calor al hielo: la transmisi�n de calor es imposible cuando las temperaturas son iguales. Como el agua no cede calor a 0�C, permanecer� en estado l�quido. Por ello, no hay que temer que la botella se rompa.
b) El agua no se congelar� en ninguna de las botellas. En ambos casos la temperatura es de 0�C, por consiguiente, el agua contenida en la botella se enfriar� hasta 0�C, pero no se helar�, pues no podr� ceder calor latente de fusi�n al ambiente: si los cuerpos tienen temperaturas iguales, no intercambian calor.
140. El hielo en el agua.
�Podr�a sumergirse por s� mismo el hielo en el agua a 0�C?
Como a 0�C el hielo tiene un peso espec�fico de 0,917, en las condiciones normales se sostiene en la superficie del agua. Pero durante el calentamiento disminuye el de esta �ltima: por ejemplo, a 100 �C equivale a 0,96 g/cm 3 , por lo cual en este caso el hielo que se derrite, continuar� flotando. Si seguimos calentando el l�quido (a presi�n elevada), a los 150 �C su peso ser� de 0,917, de modo que el hielo podr� permanecer por debajo del nivel de su superficie, sin bajar ni subir. A los 200 �C el agua tendr� una densidad de 0,86 g/cm 3 , es decir, menor que la del hielo, por lo cual �ste se hundir�.
Cabe se�alar que en condiciones normales el hielo es una de las variedades del agua s�lida; en otras condiciones (cuando var�a la presi�n) se forman otras variedades de hielo cuyas propiedades son distintas. Realizando experimentos sobre las propiedades de diversos cuerpos sometidos a una presi�n bastante alta (de hasta 30.000 at), el f�sico ingl�s Bridgman descubri� seis variedades diferentes de hielo y las design� con n�meros: hielo I, hielo II, etc. El hielo I es m�s ligero que el agua en un 10 � en un 14%. Las otras cinco variedades son m�s densas que esta �ltima: el hielo II, en el 22 %; el hielo III, en el 3 %; el hielo IV, en el 12 %, el hielo V, en el 8 % y el hielo VI, en el 12%.
Por consiguiente, entre las seis variedades de hielo s�lo una flota en el agua, mientras que las dem�s se hunden.
141. El hielo
La explicaci�n que se da al hecho de que la superficie del hielo es resbaladiza es que su punto de fusi�n desciende al aumentar la presi�n. Se sabe que para disminuir en un grado cent�grado el punto de fusi�n del hielo hay que crear una presi�n de 130 at. Por ello, para poder patinar a la temperatura de 5 �C bajo cero, el deportista debe ejercer sobre el hielo una presi�n de 5 � 130 = 650 at. No obstante, la superficie de contacto entre el pat�n y el hielo no mide menos de unos cuantos cent�metros cuadrados, de modo que a 1 cm le corresponden no m�s de 10 a 20 kg de la masa del patinador. Por consiguiente, la presi�n que �ste ejerce sobre el hielo, es muchas veces menor que la necesaria para disminuir el punto de fusi�n del hielo en 5�.
�C�mo explicar�a usted el hecho de que a 5 �C bajo cero y a m�s baja temperatura es posible patinar?
La diferencia entre la explicaci�n del fen�meno y el resultado del c�lculo se debe a las dimensiones exageradas de la superficie de contacto entre el pat�n y el hielo. No toda la superficie del pat�n est� en contacto con el hielo, sino algunos de sus puntos, cuya �rea total no debe de superar 0,1 cm 2 (es decir, 10 mm 2 ). En este caso la presi�n que el patinador (de 60 kg de peso) ejerce sobre el hielo, no ser� menor de 60 : 0,1 = 600 kgf/cm 2 , es decir, no ser� inferior a la magnitud que se requiere para que, conforme a la teor�a, disminuya la temperatura, a la cual el hielo empieza a derretirse.
Si el fr�o es muy intenso, la presi�n de los patines ser� insuficiente para reducir la temperatura de fusi�n del hielo hasta el valor requerido; en este caso el patinaje se dificultar�, puesto que aumentar� notablemente la fricci�n por falta del agua que sirve de engrase.
142. Disminuci�n del punto de fusi�n del hielo.
�Hasta qu� temperatura es posible disminuir el punto de fusi�n del hielo elevando mucho la presi�n?
El punto de fusi�n del hielo disminuye en 1/130 de grado cuando la presi�n ambiente aumenta en una atm�sfera. Pero no se piense que el hielo empezar� a derretirse a una presi�n suficiente, por muy baja que sea la temperatura. Cuando se eleva la presi�n, el punto de fusi�n del hielo disminuye hasta cierto l�mite: es imposible reducirlo m�s de 22 grados; esto se lograr�a a la presi�n de 2200 at.
As� pues, por m�s que se eleve la presi�n, el hielo no se derretir� a una temperatura menor de 22 �C bajo cero; es imposible patinar sin dificultad alguna cuando la temperatura baja hasta ese valor, ya que a la presi�n de 2200 at el hielo se torna m�s denso que de ordinario y, por consiguiente, ocupa menos espacio: la presi�n ya no contribuye a su derretimiento.
143. El �hielo seco�.
�Sabe usted qu� es el �hielo seco�?
En la t�cnica, por �hielo seco�, o �nieve carb�nica�, se entiende el anh�drido carb�nico s�lido. Si se deja salir anh�drido carb�nico l�quido de una botella a presi�n muy alta (de 70 at) al aire libre, empieza a evaporarse tan intensamente que su resto se congela (por el fr�o engendrado durante la evaporaci�n) formando una masa suelta como la nieve. Al prensarla, se compacta tomando forma muy parecida al hielo.
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| A la izquierda: anh�drido carb�nico contenido en una botella de acero de paredes gruesas; encima est�n sus vapores. M�s a la derecha: cuando se abre la v�lvula el l�quido comienza a bullir a consecuencia del descenso de presi�n. A la derecha arriba: la botella est� inclinada para verter anh�drido carb�nico en un saco atado al grifo. A la derecha abajo: el saco queda envuelto en una nube de vapores de anh�drido carb�nico condensados; dentro del mismo se encuentra anh�drido carb�nico congelado. |
El �hielo� carb�nico posee una propiedad notable: no se derrite cuando se calienta, sino que inmediatamente se convierte en gas sin pasar por la fase l�quida. Esta propiedad proporciona una gran ventaja al utilizarlo para enfriar los productos de f�cil deterioro: el �hielo seco� no moja y ni siquiera humedece los productos mientras se evapora. De aqu� proviene su nombre.
Otra ventaja del �hielo� carb�nico ante el ordinario consiste en que proporciona unas quince veces m�s fr�o que este �ltimo. Adem�s, se evapora muy lentamente; un vag�n de frutas, enfriado mediante �hielo seco�, puede estar en camino durante diez d�as sin cambiar ni reponer la reserva de anh�drido carb�nico.
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| El anh�drido carb�nico congelado formas una masa parecida a la nieve; despu�s de prensarla se obtiene �hielo seco� |
El efecto refrigerante del �hielo seco� se debe a su temperatura muy baja (- 80�C); adem�s, el gas que se forma al sublimarlo, tambi�n es bastante fr�o (0�C): el �manto� gaseoso que envuelve el anh�drido carb�nico s�lido, ralentiza el deshielo. El gas carb�nico no contamina en absoluto el producto, adem�s, disminuye considerablemente el peligro de incendios impidiendo la propagaci�n del fuego.
144. El color del vapor de agua.
�De qu� color es el vapor de agua?
La mayor�a de las personas est�n seguras de que el vapor de agua es de color blanco, y se asombran mucho al o�r que esto no es as�. De hecho, el vapor de agua es absolutamente transparente e invisible y, por consiguiente, es incoloro. La niebla blanquecina que se suele llamar �vapor� no es vapor en el sentido f�sico de la palabra, sino agua pulverizada que tiene forma de gotitas peque��simas. Las nubes tampoco constan de vapor de agua, se componen de diminutas gotitas de l�quido.
145. La ebullici�n del agua.
�Qu� agua, sin hervir o hervida, empieza a hervir antes que la otra bajo condiciones iguales?
El agua no hervida empezar� a bullir antes, pues contiene aire disuelto. Para explicar, por qu� el aire presente en el agua acelera la ebullici�n, hay que examinar algunos detalles. Helos aqu�.
La ebullici�n, a diferencia de la evaporaci�n, consiste en que aparecen burbujas de vapor en el seno del l�quido que se calienta. Esto s�lo es posible cuando la presi�n del vapor supera la presi�n atmosf�rica sobre la superficie de l�quido, que se transmite a su interior con arreglo a la ley de Pascal.
Consta que a los 100�C la presi�n del vapor de agua saturante es igual a la atmosf�rica. No obstante, esto s�lo se refiere al caso cuando el vapor satura el espacio encima de la superficie del agua plana. En el seno de la burbuja que se forma en el agua, la presi�n del vapor saturado debe ser menor que la atmosf�rica, es decir, menor que junto a la superficie del agua plana a la misma temperatura. La causa de este fen�meno consiste en que la superficie c�ncava de l�quido vuelve a captar f�cilmente las mol�culas desprendidas de ella. Por consiguiente, cuando hay relativamente pocas mol�culas liberadas, la cantidad de mol�culas que se liberan cada segundo dentro de la burbuja debe equivaler a la de mol�culas capturadas. Se trata, pues, del estado de saturaci�n, cuando un espacio dado contiene, a una temperatura determinada, la cantidad m�xima de vapor, y cuando la presi�n del vapor tambi�n es m�xima. De modo que queda claro que la presi�n m�xima del vapor en el seno de la burbuja es menor que encima de la superficie del agua plana, donde equivale a la atmosf�rica. Cuanto m�s c�ncava es la superficie de agua, es decir, cuanto menor es el radio de la burbuja, tanto menor ser� la presi�n m�xima del vapor. Por ejemplo, dentro de una burbuja de 0,01 mm de radio, a los 100 �C la presi�n del vapor saturante es de 750 mm de mercurio en vez de 760 mm de mercurio.
Resulta, pues, que el agua no debe empezar a bullir a los 100 �C, como establece la teor�a, sino a una temperatura mayor, es decir, cuando el vapor cree en el agua una presi�n m�s alta, igual a la atmosf�rica. Por esta raz�n, el agua hervida previamente, que ya no contiene aire disuelto, tarda m�s en empezar a bullir. En cambio, la ebullici�n dura menos, se desprende mayor cantidad de vapor, y el agua tarda poco tiempo en calentarse hasta la temperatura normal de ebullici�n (100�C) a consecuencia del consumo intenso de calor para la evaporaci�n.
La ebullici�n del agua sin hervir que contiene aire disuelto transcurre de una manera distinta. Como la solubilidad de los gases disminuye al aumentar la temperatura, el exceso de aire debe desprenderse del l�quido que se calienta. Precisamente este aire forma burbujas. Los primeros gl�bulos que aparecen en el agua sin hervir durante el calentamiento, no contienen vapor, sino aire, y s�lo poco rato despu�s empiezan a desprenderse de su superficie interna mol�culas de vapor de agua. Hay que tener en cuenta que a las primeras burbujas de vapor, las m�s peque�as, les cuesta m�s trabajo formarse, puesto que la presi�n del vapor de agua en ellas es muy reducida. Cuando terminan estas dificultades, es decir, cuando de una u otra forma aparecen burbujas, se facilita considerablemente el proceso de formaci�n de vapor en ellas, y su tama�o aumenta. Este hecho explica, por qu� el agua no hervida con aire disuelto no tarda tanto en empezar a hervir como la hervida previamente.
Maxwell logr� sobrecalentar hasta 180 �C (a presi�n normal y creando ciertas condiciones complementarias) agua, de la cual hab�a extra�do, en la medida de lo posible, aire disuelto. Tal vez eliminando m�s aire, lograr�a calentarla hasta una temperatura mayor, sin que dejase de ser l�quida.
146. Calentamiento mediante el vapor.
�Ser�a posible calentar el agua mediante vapor de 100 �C hasta que empiece a hervir?
El vapor calentado hasta 100�C puede ceder calor al agua siempre que la temperatura de �sta sea inferior a los 100�C. A partir del instante en que se igualan las temperaturas del vapor y el agua, el primero deja de transmitir calor a la segunda. Por ello, es posible calentar agua hasta 100�C mediante el vapor que tiene esa misma temperatura, pero �ste no podr� transmitirle la cantidad de calor necesaria para pasar al estado gaseoso.
Por consiguiente, se puede calentar agua hasta la temperatura de ebullici�n mediante el vapor, cuya temperatura es de 100�C, m�s es imposible lograr que empiece a hervir: seguir� en estado l�quido.
147. Una tetera con agua hirviendo sobre la palma de la mano
Hay quien dice que se puede poner una tetera met�lica, reci�n retirada del hornillo, sobre la palma de la mano sin que esto provoque una quemadura, a pesar de que el agua sigue hirviendo. La mano empieza a sentir calor s�lo despu�s de algunos segundos.
�C�mo explicar�a usted este fen�meno?
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| Un experimento menos peligroso de lo que parece ser |
Se suele interpretar equivocadamente el hecho descrito al plantear el problema, aunque, de por s�, es cierto. Generalmente se cree que la mano no siente el calor de la tetera con agua hirviendo porque parte considerable se consume para continuar la ebullici�n. El calor necesario para la ebullici�n se toma de las paredes del recipiente, en particular, de su fondo, debido a lo cual desciende la temperatura de este �ltimo. Cuando cesa la ebullici�n, el fondo deja de transmitir su calor al agua, y la mano empieza a sentir calor.
Esta explicaci�n es err�nea, pues no aclara por qu� las paredes laterales queman m�s que el fondo; adem�s, no considera el hecho de que a consecuencia de la evaporaci�n el fondo de la tetera no puede tener una temperatura menor que el agua contenida en ella; en este caso la temperatura del agua es de unos 100 �C, o sea, es suficiente para quemar la mano.
La causa real de este fen�meno consiste en lo siguiente: la humedad (el sudor) de la palma de la mano entra en contacto con el fondo de la tetera, pasando al llamado �estado esferoidal�; en un primer instante despu�s de retirar la vasija del hornillo, el fondo tiene calor suficiente para ello. Mas, cuando su temperatura est� por debajo de 150�C, ya no hay humedad que se encuentre en estado esferoidal, por lo cual el calor se siente m�s.
Este experimento se lleva a cabo con �xito siempre que el fondo de la tetera sea liso y no est� ensuciado, pues la rugosidad de la superficie met�lica y la suciedad estorban que haya humedad en estado esferoidal.
148. �Prefiere usted comida frita o cocidas
�Por qu� la comida frita es m�s sabrosa que la cocida?
La comida frita sabe mejor que la cocida no s�lo porque se le a�ade aceite o grasa, sino fundamentalmente porque la freidura y el cocimiento tienen sus particularidades f�sicas. Tanto el agua como la grasa no se calientan por encima de la temperatura de su ebullici�n. La primera hierve a 100�C, mientras que la segunda a 200�C. Por consiguiente, para fre�r se necesita una temperatura m�s alta que para cocer. A su vez, un calentamiento m�s intenso de las sustancias org�nicas contenidas en la comida provoca en ellas transformaciones que mejoran su sabor. Por eso la carne frita sabe mejor que la cocida, as� como el huevo frito es m�s sabroso que el duro, etc.
149. El huevo caliente en la mano
�Por qu� no quema la mano un huevo reci�n sacado del agua hirviendo?
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| Un huevo reci�n sacado del agua hirviendo no abrasa la mano |
Al sacar un huevo del agua hirviendo, su c�scara a�n est� h�meda y muy caliente. El agua que se evapora de la superficie caliente, la enfr�a, por lo cual el calor no se siente mucho. Pero este efecto s�lo tiene lugar en los primeros instantes, mientras el huevo se seca, despu�s de lo cual su elevada temperatura empieza a sentirse.
150. El principio de la pared fr�a
El traductor de un tratado de astronom�a se top� en el texto con el t�rmino �principio de la pared fr�a�. A1 consultar numerosos libros de f�sica no encontr� semejante t�rmino. �Sabe usted, en qu� consiste este principio?
Cuando el traductor del libro me pidi� que le explicara el �principio de la pared fr�a�, tard� mucho en encontrar este t�rmino. Por fin lo localic� en un libro de texto traducido del franc�s, que hoy d�a es dif�cil de encontrar. He aqu� lo que dice al respecto:
�Principio de Watt, o principio de la pared fr�a. Supongamos que tenemos dos recipientes: el recipiente A contiene agua a 100� C y el B, a 0 �C. Mientras no se comunican, tienen diferente tensi�n del vapor: en B la tensi�n es de 4,6 mm de mercurio y en A, de 760 mm de mercurio.
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| Experimento que explica el � principio de la pared fr�a� |
Pero cuando se abre la llave C, el vapor de A entra en B y enseguida se convierte en agua; por ello, la presi�n del vapor del recipiente A no puede superar la de B. Se trasvasa vapor de A a B sin aumentar la tensi�n del vapor en este �ltimo. He aqu� el principio formulado por primera vez por J. Watt:
"Si se comunican dos recipientes que contienen un mismo l�quido a temperatura diferente, tendr�n igual tensi�n de vapor, equivalente a la m�xima que se registra a la temperatura m�s baja de estas dos."
Si el lector tiene alguna noci�n del instrumento f�sico llamado "cri�foro", muy sencillo e ilustrativo, sabr� qu� es el "principio de la pared fr�a", puesto que su acci�n est� basada precisamente sobre dicho principio. El cri�foro consta de dos bolas de vidrio huecas unidas mediante un tubo.
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| El cri�foro: cuando se enfr�a el recipiente inferior, se congela el agua contenida en el superior |
Dentro de este dispositivo hay un poco de agua con vapor encima de ella, y no hay aire. Al trasegar agua a la bola superior, la inferior se coloca en una mezcla refrigerante. Con arreglo al "principio de la pared fr�a", en el recipiente superior encima del agua debe establecerse la presi�n baja del otro, metido dentro de la mezcla refrigerante. Como la presi�n es reducida, el agua empieza a hervir, mientras que el vapor que se forma en este caso se condensa en la bola inferior enfriada; la ebullici�n es tan en�rgica y la p�rdida de calor a consecuencia de la evaporaci�n es tan intensa que se congela, el agua del recipiente superior, aunque no est� en el seno del hielo.
J. Watt aprovech� este principio para construir su "refrigerador": el vapor de escape contenido en el cilindro se dirige por s� mismo al refrigerador y se condensa en �l. Antes de J. Watt, en la m�quina de Newcommen, para condensar el vapor agotado se inyectaba agua fr�a en el cilindro, enfriando de esta manera no s�lo el vapor, sino tambi�n las paredes del cilindro, sin lo cual el vapor no se condensaba; durante la carrera siguiente del �mbolo, en el cilindro enfriado se inyectaba vapor caliente, cuyas primeras porciones se condensaban en las paredes hasta que la temperatura del cilindro se igualaba con la del vapor en la caldera. Queda claro, pues, que semejante procedimiento de condensaci�n del vapor no era muy econ�mico, por cuanto se consum�an grandes cantidades de vapor y agua fr�a, para lo cual se gastaba mucho carb�n. Es por eso que las m�quinas anteriores a la de Watt ten�an un rendimiento tan bajo, s�lo del 0,3 %. Este inventor utiliz�, entre otros adelantos, el condensador cuyo funcionamiento se basaba en el "principio de la pared fr�a", descubierto por �l mismo: el vapor abandona por s� mismo el cilindro dejando calientes sus paredes y enfri�ndose fuera de �l, en el condensador.�
Por cierto, al lector le interesar� saber de qu� manera se aplicar� en la astronom�a este principio que, al parecer, s�lo tiene aplicaciones mec�nicas. No obstante, este principio es fundamental al resolver problemas relacionados con la revoluci�n de los planetas m�s cercanos al Sol, o sea, Mercurio y Venus.
Orbitando al Sol, Mercurio siempre le presenta la misma cara, por lo cual en ese planeta el �d�a� equivale al �a�o�. En su cara siempre iluminada por los rayos solares, hay un d�a eterno y un intenso calor, mientras que en la cara opuesta, siempre sumida en las tinieblas del Universo, reinan una noche infinita y un intenso fr�o de - 264 �C, casi lo mismo que en el espacio. En la mitad fr�a de Mercurio la atm�sfera debe condensarse y congelarse, aunque consista en hidr�geno. Pero, seg�n el principio de Watt, a esta �pared fr�a� del planeta debe afluir la atm�sfera del hemisferio diurno, donde se establece la presi�n reducida que se registra en la atm�sfera licuada del hemisferio fr�o. Adem�s, la parte de la atm�sfera que se traslada de esa manera, tambi�n se condensa a consecuencia de la temperatura tan baja. Este proceso ha de continuar hasta que toda la atm�sfera del planeta se desplace a la cara fr�a. Por consiguiente, Mercurio no puede tener atm�sfera gaseosa, lo cual se deriva irrefutablemente del �principio de la pared fr�a�, siendo iguales los per�odos de giro del planeta sobre su eje y el de revoluci�n en torno al Sol.
Los astr�nomos no tienen opini�n un�nime en cuanto a la duraci�n de los respectivos per�odos de Venus. Unos consideran que en este planeta el �d�a� dura lo mismo que el �a�o� como en Mercurio. Seg�n otros, el per�odo de rotaci�n venusiano, es decir, su �d�a� vale menos que el �a�o�. El referido principio de la pared fr�a redunda en beneficio de este segundo grupo de astr�nomos, pues las observaciones directas de Venus han permitido establecer que tiene atm�sfera: si su �d�a� y �a�o� fueran iguales, la atm�sfera de dicho planeta correr�a la misma suerte que la de su vecino Mercurio.
El �principio de la pared fr�a� tambi�n echa por tierra la suposiciones de Herbert Wells de que la Luna pudiera tener atm�sfera, enunciada en su ingeniosa novela Los primeros hombres en la Luna. El novelista supone que de noche su atm�sfera se congela y de d�a se derrite y evapora
volviendo a ser gaseosa. Pero ya sabemos que es imposible que en un hemisferio de dicho cuerpo celeste haya un gas licuado y en el otro, la misma sustancia, pero en estado gaseoso.
151. El poder calor�fico de la le�a
�Qu� le�a da m�s calor, de abedul o de �lamo tembl�n (si se queman cantidades iguales de le�a igualmente seca)?
Generalmente se piensa que la le�a de abedul da m�s calor que la de pino y, en especial, que la de �lamo tembl�n. Esto es cierto si se comparan vol�menes iguales: al quemar totalmente un le�o de abedul, se obtiene m�s calor que quemando otro, de �lamo tembl�n, de las mismas dimensiones. No obstante, en f�sica y en t�cnica, al estimar el poder calor�fico del combustible, se comparan las masas y no los vol�menes. Como la madera del abedul es 1,5 veces m�s densa que la del �lamo tembl�n, no nos debe sorprender el hecho de que el poder calor�fico de la le�a de abedul es igual que el de la otra especie de madera. En general, cuando se quema un kilogramo de le�a de cualquier especie de madera se obtiene una misma cantidad de calor (siempre que sea igual el porcentaje de humedad contenida en ellas).
As� pues, nos parece que la madera de abedul tiene mayor poder calor�fico que la de �lamo tembl�n porque comparamos masas desiguales de estos combustibles quemando mayor cantidad de una de ellas.
Si las diferentes especies de madera, de igual masa, producen iguales cantidades de calor, no ser�n completamente equivalentes como combustible. Cuando se utilizan calderas de vapor, no s�lo importa el poder calor�fico del combustible, sino tambi�n la velocidad con que se quema. En tiempos lejanos, cuando en las f�bricas de vidrio se empleaban tales calderas, se prefer�a la le�a de �lamo tembl�n o de pino, que se quema m�s r�pidamente que la de las dem�s especies. En las chimeneas y estufas que sirven para calentar las habitaciones, la le�a de especies m�s densas calienta mejor que la de otras, de menor densidad, que tardan menos en quemarse.
152. El poder calor�fico de la p�lvora y del queroseno.
�Qu� agente tiene mayor potencia calor�fica, la p�lvora o el queroseno?
Ser�a err�neo suponer que el efecto violento de los explosivos se debe a la enorme cantidad de energ�a de dichas sustancias, es decir, a su elevado poder calor�fico, el cual, en muchos tipos de explosivos, es sorprendentemente peque�o en comparaci�n con el poder calor�fico de muchas clases de combustible industrial, como son,
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Al quemar 1 kg de:
P�lvora negra P�lvora de piroxilina Cordita |
Se obtiene
700 cal 960 cal 1200 a 1400 cal |
He aqu� el poder calor�fico de algunos tipos de combustible industrial:
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Queroseno y gasolina
Petr�leo Carb�n Le�a seca |
11.000 cal
10.500 cal 7.000 cal 3.100 cal |
Pero no se debe comparar en forma directa estos datos con los anteriores: hay que tener en cuenta que durante la quema de los explosivos s�lo se consume el ox�geno contenido en ellos, mientras que en el caso de los combustibles convencionales se consume el del medio ambiente. Al relacionar el n�mero de calor�as con la masa del combustible, hay que incluir tambi�n la de ox�geno que se consume durante su quema. Esta masa adicional supera 2 � 3 veces la del combustible. Por ejemplo, para quemar 1 kg de carb�n se consumen 2,2 kg de ox�geno (�ste es un c�lculo te�rico; en la pr�ctica la cifra es mayor), 1 kg de petr�leo consume 2,8 kg de ox�geno, etc.
Mas, las cifras relativas al poder calor�fico de los combustibles superan los datos que caracterizan el de los explosivos, aunque se corrijan correspondientemente. Ser�a un despilfarro calentar las estufas quemando p�lvora, pues esta sustancia produce tres veces menos calor que la hulla.
Por ello, naturalmente surge la pregunta siguiente: si los explosivos contienen cantidades no muy grandes de energ�a, �c�mo se podr�a explicar el terrible efecto destructor que producen? �ste se explica �nicamente por la rapidez de combusti�n, es decir, por el hecho de que una cantidad relativamente peque�a de energ�a se libera en un intervalo de tiempo muy corto. Durante la quema de los explosivos se forma gran cantidad de gases que, encerrados en un recinto de volumen reducido, empujan el proyectil con una presi�n de 4000 atm�sferas.
Si la combusti�n de la p�lvora fuera lenta, en el tiempo necesario para salir el proyectil por la boca del ca��n, se quemar�a una parte peque�a de la carga y se formar�an pocos gases, por lo cual su presi�n y la velocidad del proyectil ser�an insuficientes. Pero de hecho la p�lvora se quema en el ca��n casi instant�neamente. En menos que una cent�sima de segundo la carga se quema totalmente y los gases proyectan la bala con una fuerza enorme.
153. �Qu� potencia luminosa tiene una cerilla?
No se trata de una broma, sino de un problema bastante serio de la f�sica. Durante la combusti�n se libera energ�a. �Cu�ntos julios de energ�a se obtienen cada segundo quemando una cerilla?
En otras palabras, �cu�l es la potencia de una cerilla en vatios?
Como ve, este problema no tiene nada de broma.
No se crea, pues, que la energ�a de la cerilla es �nfima. Es f�cil cerciorarse de que no lo es. He aqu� el c�lculo. Una cerilla pesa unos 100 mg, 0 0,1 g (el peso se determina mediante una balanza sensible o midiendo su volumen, adoptando su densidad igual a 0,5 g/cm 3 ). Supongamos que el poder calor�fico de la madera vale 3000 cal/g. Mediante el reloj determinamos que una cerilla tarda unos 20 segundos en quemarse. Por lo tanto, de las 300 calor�as (3000 * 0,1) que rinde una cerilla, cada segundo se obtienen 300 : 20 = 15 cal/g. Una calor�a peque�a vale 4,2 J, por consiguiente, la potencia de la cerilla que se quema es de
As� pues, la potencia de una cerilla supera la de una bombilla el�ctrica de 50 W.
De la misma manera se podr�a calcular que fumando un cigarrillo se obtiene una potencia de 20 W. He aqu� los datos para el c�lculo: masa de la picadura, 5 g; poder calor�fico espec�fico, 3000 cal/g; tiempo en que se consume un cigarrillo, 5 min.
154. �C�mo se quitan las manchas con la plancha?
�Merced a qu� efecto se quitan de la tela las manchas de grasa con una plancha?
A la ropa se le quitan las manchas de grasa mediante el calentamiento, puesto que la tensi�n superficial de los l�quidos disminuye cuando aumenta la temperatura. �Por eso, si en distintos puntos de una mancha l�quida la temperatura es diferente, la grasa tiende a desplazarse de la zona caliente hacia la fr�a. Si a una de las caras de la tela aplicamos un hierro caliente, y a la otra una hoja de papel de algod�n, este �ltimo absorber� la grasa.� (Maxwell, Theory of Heat ).
Por consiguiente, el material que absorber� la grasa debe aplicarse a la cara opuesta a la plancha.
155. Solubilidad de la sal com�n.
�A qu� temperatura del agua se disuelve mayor cantidad de sal com�n, a 40 � 70 grados cent�grados?
Cuando se eleva la temperatura del agua, aumenta la solubilidad de la mayor�a de las sustancias s�lidas disueltas en ella; por ejemplo, a 0�C se disuelve en el agua el 64% del az�car, mientras que a 100�C, el 83%. No obstante, la sal com�n no figura entre estas sustancias, ya que su solubilidad en el agua casi no depende de la temperatura: a 0�C se disuelve el 26% de la sal y a 100�C, el 28%. Tanto a 40�C como a 70�C en el agua se disuelve exactamente una misma cantidad de sal, el 27%.
