Juegos termodinámicos: los hielos desconocidos / CIENCIORAMA 1
Imagen tomada de: SNOWFLAKES. Featuring the Amazing Micro-Photography of Kenneth Libbrecht. Voyageur Press
Juegos termodinámicos: los hielos desconocidos
Carlos Velázquez
Plastilina termodinámica
¿Alguna vez tuviste una bola de plastilina en tus manos? A que sí, y
cuando la tuviste te maravilló que pudieras darle cualquier forma y en una
de esa no aguantaste las ganas de morderla, no te hagas. Hacías
complicadas figuras y luego cuando te aburrías las aplastabas. Cuando la
plastilina estaba más caliente se manejaba más fácilmente y cuando
estaba fría las figuras permanecían firmes más tiempo. Seguro que cuando
ya estaba muy sucia no te importaba aplastarla, y aunque creo que nadie
le diera a eso mucha importancia, todos nos dimos cuenta de que por
más que la comprimiéramos, siempre ocupaba el mismo volumen.
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Figura 1. Para los termodinámicos todas las sustancias son nuestras nuevas plastilinas.
Imágenes tomadas de: http://www.fondos7.net/wallpaper-original/wallpapers/cubo-de-hielo-2567.jpg
https://mitallerdepinturainfantil.files.wordpress.com/2013/05/plastilinacasera1.jpg
http://curiosidades.batanga.com/sites/curiosidades.batanga.com/files/imagecache/primera/de_donde_
proviene_el_agua_de_la_tierra2.jpg
Bueno, es una pena que no hayas tenido suficiente fuerza como para ver
qué pasaba al comprimirla mucho, realmente mucho. Pero existimos
algunos Homo sapiens afortunados que después de aprender varias
ecuaciones aburridas, fuimos recompensados con la posibilidad de manejar
máquinas que son capaces de hacer todo eso que le quisimos hacer a la
plastilina cuando éramos niños. Y de hecho la cosa aún es mejor que eso:
ahora podemos hacerlo con cualquier sustancia que se nos ponga
enfrente. Estos Homo sapiens son conocidos como termodinámicos, y lo
que hacen para divertirse y poder comer diario se llama termodinámica.
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El mapa del tesoro
Si acaso has leído acerca del punto crítico y el punto triple del agua
(puedes ver el texto "Juegos termodinámicos: el agua", aquí, en
Cienciorama), sabrás a qué me refiero cuando digo diagrama de fase. Si
no es así, no te preocupes, es algo muy sencillo. Primero que nada, a los
termodinámicos nos gusta decirle fase a lo que usualmente se le llama
estado. O sea, que en lugar de decir estado sólido, preferimos decir fase
sólida, lo mismo que fase líquida, etc. Para explicarlo en pocas palabras,
un diagrama de fase es una especie de mapa donde los termodinámicos
anotamos los resultados de nuestros experimentos en los que tomamos
cualquier sustancia y la sometemos a las condiciones más locas que se
nos ocurran (puedes ver un diagrama de fase en la figura 5), para ver qué
pasa con ella. Por ejemplo, variamos su temperatura o la ponemos dentro
de prensas o pistones para variar la presión. También podemos hacer
cosas como poner la sustancia dentro de potentes campos magnéticos.
Al hacer todo esto, muchas veces vemos cambios de fase; es decir,
vemos que la sustancia cambia de sólido a líquido, o bien se convierte en
gas, y el diagrama de fase es la gráfica o mapa donde se reflejan los
resultados que obtuvimos, de manera que no se nos olvide nada de lo
que ha pasado, y también ahí está anotado si hemos encontrado algún
punto extraño o anormal (nuevamente, te recomiendo "Juegos
termodinámicos: el agua").
Bien, pues lo creas o no, son muchas las cosas que pueden pasar,
y para mostrarte que esto es verdad, ahora te voy a contar acerca de...
Los hielos desconocidos
El agua se convierte en hielo cuando la enfriamos por debajo de los 0°C y
se hace líquida si lo calentamos, ¿no es así? Bueno, bajo condiciones
terrestres normales sí, por ejemplo al nivel del mar donde tenemos una
atmósfera de presión y estamos en los rangos de temperatura usuales.
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Sin embargo, cuando estas condiciones no se satisfacen muchas cosas
extrañas pueden pasar.
Por ejemplo, si ponemos una muestra de hielo a una presión menor
de 0.00603 atmósferas, al calentarlo nunca seremos capaces de obtener
agua líquida, sino que siempre veremos que el sólido se convierte
directamente en gas, ¡oh! Lo que pasa es que al tener tan baja presión,
los átomos del sólido no encuentran una fuerza externa que los frene y al
calentarse y adquirir energía escapan para convertirse directamente en
moléculas de gas. Este comportamiento se llama sublimación, y los
químicos la utilizan mucho para obtener muestras de materiales de gran
pureza; para esto simplemente bajan la presión para que su material se
sublime, y como cada material tiene un punto de sublimación específico,
convierten su muestra en gas, separándola del resto, y luego conducen
este gas para solidificarlo de nuevo sobre una superficie limpia.
Figura 2. La presión requerida para ver un cambio de fase del agua manteniéndola a temperatura
ambiente (digamos unos 30 °C) es equivalente a concentrar todo el peso de una ballena azul sobre
un centímetro cuadrado. Imagen creada por el autor.
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Regresando a los hielos, hagamos lo siguiente: tomemos una muestra de
agua y calentémosla hasta los 100°C. Luego metámosla en un generador
de altas presiones y comencemos a aplastarla. Sí, es como tener plastilina
y ahora sí ser capaces de comprimirla hasta donde queramos.
Bien, ¿qué pasa?: si aplicamos la presión equivalente a poner el
peso de una persona sobre una moneda de 20 centavos (de las nuevas
chiquitas), realmente no observamos nada. Si aumentamos más el peso,
por ejemplo, llegando al nivel equivalente a poner un elefante sobre una
moneda, tampoco pasa nada. Para que veamos algo interesante tenemos
que hacer el equivalente a concentrar el peso de una ballena azul sobre
el área que ocupa una de estas moneditas (figura 2). Cuando llegamos a
este nivel de presiones ¡el agua a 100°C se vuelve sólida!
¡Increíble! pero esto no es todo. Al hacer un análisis detallado de la
estructura atómica de este hielo, los termodinámicos nos hemos dado
cuenta de que es un hielo muy distinto del común que conocemos. Por
principio de cuentas, si este hielo se pusiera dentro de una muestra de
agua sometida a presiones y temperaturas parecidas a las anteriores, no
flotaría ¡se hundiría!
De hecho, hemos encontrado que dependiendo de qué tan grande
sea la presión y cuál sea el valor de la temperatura, ¡podemos generar
hasta 16 tipos distintos de hielo!
El metro y los hielos
Esto puede sonar un poco raro, como todo lo que has venido leyendo,
pero en esencia es sencillo. Piensa en la gente en el metro a las cinco de
la mañana: normalmente hay pocas personas viajando y aunque fueran
muy inquietas y siempre estuvieran moviéndose de un lado para otro,
como son pocas casi nunca estarían en contacto; esto es parecido al
comportamiento de las moléculas de un gas. A medida que avanza el día
entran al metro más personas, y empiezan apretujarse, pero aunque la
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mayor parte del tiempo las personas estén en contacto, aún pueden
desplazarse de un lugar a otro; esto es muy parecido a lo que ocurre con
las moléculas en un líquido.
Sin embargo, va a llegar un punto en el que hay tantas personas –-
a eso de las 7 de la mañana en la estación Pino Suárez-- que ya no se
pueden mover de su lugar y esto se parecería a las moléculas en estado
sólido. A partir del momento en que las personas ya no se mueven
pueden ocurrir muchas cosas divertidas. Por ejemplo, puede ser que
muchos pasajeros saquen los codos para tratar de ocupar más espacio y
no dejar entrar más gente al vagón. Paradójicamente, si esto pasa, es
posible que aunque las personas ya no se muevan, como tratan de
mantenerse un poco alejadas de las demás, ocuparían más espacio y
entonces terminarían cabiendo menos que en el caso de que todavía se
pudieran mover.
¿Esto te recuerda algo? ¡Claro! ésta es la explicación de por qué el
hielo flota usualmente sobre el agua: cuando las moléculas de hielo a
presión atmosférica se solidifican, "sacan los codos", y aunque formen un
sólido, ocupan más espacio que el agua líquida. En realidad, lo que pasa
es que las moléculas hacen un arreglo cristalino que ocupa mucho
espacio.
Regresando a la analogía del metro, si de todas maneras las
personas que tratan de entrar presionan lo suficiente, al final vencerán a
los que están sacando los codos y cabrán más. Si todavía más personas
trataran de entrar, podría ser que algunos se subieran encima de otras
tratando de no quedar aplastadas, y de esta manera cabrían más y más
personas. Esta es la explicación de por qué el hielo a alta temperatura y a
alta presión se hunde en su líquido, ya que es mucho más denso.
Si los pasajeros todavía fueran tan temerarios que siguieran
entrando al vagón, obligarían a todos a “hacerse flaquitos”, a quedar unos
encima de otros y a poner sus cosas entre los huequitos que quedan
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libres, hasta que finalmente el vagón reventara y todas las personas
adentro se quedaran varadas (ver la figura 3).
Algo muy parecido pasa con las distintas formas de hielo. En
algunas configuraciones las moléculas ocupan mucho espacio, como en el
caso del hielo común. Cuando se aplica más presión, las moléculas tienen
que acomodarse de otra manera para poder resistir mejor el empuje de
las otras, y tienden a aumentar su densidad.
Hielos, cristales y diagramas de fase
En realidad conocer todas y cada una de las configuraciones posibles que
puede adoptar el sólido de agua ha resultado un trabajo muy fructífero y
a los termodinámicos nos ha deparado más de una sorpresa. Ha sido
como un juego en que hemos tratado de descubrir de qué manera le
gusta acomodar las cosas a la naturaleza y lo que hemos descubierto es
que todos los hielos forman cristales.
Un cristal es un tipo muy especial de sólido, en él cierta figura
básica llamada celda unitaria, se repite una y otra vez hasta ensamblar un
material del tamaño de los objetos que vemos todos los días. En la figura
4 puedes ver algunas configuraciones moleculares y celdas unitarias de los
cristales de hielo. Como puedes observar, el hielo común consiste en un
arreglo de moléculas que forman hexágonos.
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Figura 3. Podemos hacer una analogía entre las distintas fases del agua pensando en las personas
en el metro.
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Hielo Configuración molecular Celda unitaria
Hielo I-h
(hielo
común)
Hielo II
Hielo III
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Hielo X
Hielo XVI
(en realidad no es
celda unitaria, pero
está dentro de la
estructura del cristal)
Figura 4. Algunos tipos de hielos con sus estructuras moleculares y celdas unitarias.
Por último, en la figura 5 te presento un diagrama de fase del agua, ahí
puedes observar algunas de las 16 formas diferentes de hielo, cada una
nombrada como hielo I, hielo II, hielo III, etc. De hecho, el diagrama de
fases se acaba porque ya no somos capaces de aplicar mayores
presiones, pero si pudiéramos hacerlo probablemente encontraríamos
nuevas fases de hielo o líquido.
¿Qué importancia ha tenido conocer las distintas formas de hielo
que tiene el agua? Primero que nada, para los físicos ha sido todo un
viaje de descubrimientos, sin embargo, en un terreno más práctico,
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conocer las fases que adoptan las sustancias en condiciones extremas nos
sirve para modelar cómo serían los planetas que estuvieran compuestos
casi en su totalidad por una sola sustancia, o por unas cuantas
sustancias. De hecho en Europa --una de las lunas de Júpiter-- podrían
estar presentes estas formas de hielos ya que tiene, hasta donde
sabemos, océanos con una profundidad de ¡100 km! Para que te des una
idea de la profundidad que implica, en la Tierra las fosas oceánicas más
profundas alcanzan solamente los 11 kilómetros.
Bueno, esto ha sido todo por ahora. Como puedes ver en un
material tan común y corriente como el agua están escondidos un montón
de secretos, y en este caso hemos descubierto las distintas formas que
puede tener el sólido del agua, los hielos desconocidos. Hay muchos
secretos por descubrir, y quien sabe, quizá un día tú te unas a esa
esquizofrénica secta llamada la termodinámica y termines descubriendo
varios de ellos. Bueno, y creo que para lograrlo siempre deberías mantener
los ojos bien abiertos y hacer un montón de preguntas impertinentes.
Hasta luego.
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Figura 5. Diagrama de fase completo del agua. En él podemos ver la existencia de hasta 11 formas
distintas de hielo, numeradas con números romanos. Nota que la escala de presiones no aumenta
de manera gradual. Imagen tomada de:
http://i.stack.imgur.com/n6LXj.gif
Bibliografía
-Herbert B. Callen. Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics 2nd
Edition, JohnWiley & sons, Inc., 1985.
-Leopoldo García-Colín Scherer. Introducción a la Termodinámica Clásica. Editorial
Trillas, México, 1990.
Imágenes de la Figura 3 tomadas de:
http://www.jornada.unam.mx/2012/09/06/fotos/037n1cap-1.jpg
http://redgeneracion.com/wp-content/uploads/2013/05/Metro-DF1.jpg
http://static.animalpolitico.com/wp-content/uploads/2012/07/Metro2-456x300.jpg
https://luisvenegas.files.wordpress.com/2011/11/mujer-gigante.jpeg
Imágenes de la figura 4 tomadas de:
http://www1.lsbu.ac.uk/water/
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http://www.mim-us.es/estructuras_cristalinas/2-estructura_cristalina/vrml/2-
3_Redes%20de%20Bravais/romboedrica.png
http://metafysica.nl/bruhns_65_66.jpg
http://users-phys.au.dk/philip/pictures/solid_crystalstructures/cubicstructures.gif
http://www.mim-us.es/estructuras_cristalinas/3-cristales_metalicos/3-4_2_HC%20red.jpg