Nuestra primera introducción a la Termodinámica nos ha llevado a describir los sistemas termodinámicos, a explicar el concepto de temperatura, el de equilibrio térmico y las consecuencias de su desequilibrio y, finalmente, los estados de agregación y los cambios de fase. Como espero que recuerdes, al hablar del desequilibrio térmico, llegamos a la conclusión de que ese desequilibrio produce una transferencia de energía térmica, el calor, y mencionamos una manera básica en la que se transfiere la energía térmica. Hoy nos fijaremos más cuidadosamente en cómo se produce esa transferencia, hablando sobre los tres mecanismos fundamentales de transmisión de energía térmica: conducción, convección y radiación.

Por cierto, antes de seguir, repito mi aviso perenne en esta serie: está muy bien que aprendas términos comunes en Termodinámica, como los tres con los que acaba el párrafo anterior y a los que nos dedicaremos hoy, pero no olvides que, como todos los demás, son maneras de dividir las cosas en compartimentos, con lo que idealizan el mundo y no todo se ajusta exactamente a un concepto u otro. Sé que es repetitivo, pero me parece necesario decirlo antes de soltar una retahíla de nombres que pueden sonar grandilocuentes, pero no deberían intimidarte.

Las buenas noticias son que este artículo es, en gran parte, la consecuencia lógica de los dos anteriores: si comprendiste el concepto de calor y, tras el absurdo ejemplo de las personas en una fiesta, te quedaron claras las diferencias fundamentales entre sólido, líquido y gas, simplemente hará falta que razonemos juntos y tendremos casi todo el artículo de hoy listo y asimilado. ¿Preparado? Pues vamos con ello.

Conducción

Si recuerdas el artículo acerca del calor, allí hablamos de cómo, inevitablemente, si dos sistemas diferentes tenían temperaturas distintas –o dos partes de un mismo sistema, ya que la propia definición de sistema es arbitraria–, se tendía al equilibrio térmico de manera lógica. Las partículas que se movían más deprisa empujaban a las más lentas y al revés, pero las más lentas recibían más energía de la que perdían, con lo que la energía cinética se transfería, al final y de manera neta, de las más rápidas –partes más calientes– a las más lentas –partes más frías–. ¿Te acuerdas de los generosos dadivitas? No voy a repetir todo esto en detalle, porque creo que a estas alturas está superado.

Bien: aquello de lo que hablamos entonces, aunque no le dimos un nombre, era la transferencia por conducción, es decir, debido a la interacción directa entre partículas (moléculas, átomos, lo que sea). Es una consecuencia directa de la naturaleza de la temperatura a nivel microscópico como energía cinética de cada molécula. Y, ahora que sabes cómo suele denominarse a ese fenómeno, y puesto que el mecanismo básico ya lo describimos hace tiempo, entremos en los detalles, que son muchas veces lo más interesante de todo.

Para empezar, como puedes comprender, la conducción no es igual de eficaz en todas las circunstancias, sino que depende de varios factores. Comprender cuáles son es muy útil cuando queremos influir sobre ella, ya sea para hacerla más rápida (por ejemplo, si tenemos calor y queremos enfriarnos) o más lenta (si vamos a dormir en el campo y no queremos pasar frío), más allá de la propia curiosidad científica. Hablaremos aquí de los tres factores más importantes que afectan a la conducción.

El primero de los factores de los que depende la eficacia de la conducción, como debería resultar lógico, es de la diferencia de temperatura. De hecho, ya hemos puesto de manifiesto este hecho de manera práctica en el Desafío 3 de los dadivitas: puesto que la energía que transfiere una partícula al chocar es tanto mayor cuanto más rápido se mueve, si dos sistemas tienen temperaturas muy diferentes, la energía se transferirá muy rápido entre ellos, pues cada choque supondrá una transmisión de energía enorme.

Por el contrario, si ambos sistemas tienen temperaturas muy parecidas, cada partícula proporcionará más o menos la misma energía por choque de la que recibe a su vez, con lo que el cambio neto será lento. No quiero detenerme demasiado en este primer factor, puesto que ya lo hemos mencionado y es –creo– sencillo de asimilar. Si ponemos en contacto dos ladrillos a temperaturas diferentes, en el caso de arriba hay una transferencia más suave de energía, y en el de abajo, debido a la mayor diferencia de temperatura, una transferencia más violenta (he intentado representar la diferencia con el tamaño de la flecha y el texto):

El segundo factor también es bastante intuitivo: la superficie de contacto. Puesto que el calor se transfiere al chocar partículas, cuantas más partículas choquen cada segundo, más rápido se producirá la transferencia. Si ponemos en contacto dos ladrillos a temperaturas distintas, en el caso de abajo habrá más partículas interaccionando que en el de arriba, con lo que la transmisión será más rápida y las temperaturas se igualarán antes:

Observa la diferencia esencial entre estos dos factores, aunque el efecto sea una conducción más o menos rápida: si la diferencia de temperatura entre los ladrillos es mayor, habrá una mayor transmisión neta de energía en cada choque, mientras que si la superficie de contacto es mayor, habrá un mayor número de choques. Naturalmente, es posible combinar ambos factores (una gran diferencia de temperatura y una gran superficie de contacto) para producir un efecto combinado (una gran transmisión de energía por cada choque y un gran número de choques).

Es importante comprender esto porque, a menudo, no es posible controlar la diferencia de temperatura, pero sí la superficie de contacto. Por ejemplo, cuando tenemos frío, nos acurrucamos, minimizando la superficie de contacto con nuestro entorno, mientras que si tenemos calor extendemos las extremidades lo más posible para –inconscientemente– hacer que interaccionen el mayor número posible de moléculas de nuestro cuerpo con el exterior. Entender el efecto de la superficie sobre el flujo térmico es importante, por poner otro ejemplo, para diseñar sistemas de refrigeración; estoy convencido de que, si piensas sobre ello ahora que comprendes el fundamento, encontrarás multitud de situaciones en las que, sin saber física, nos comportamos de la manera más eficaz para maximizar o minimizar el flujo térmico a través de la superficie de contacto.

Finalmente, el tercer factor es el más sutil pero creo que también te resultará intuitivo; se trata de la naturaleza de los sistemas. La cuestión está en que, en algunos cuerpos, las partículas están muy cerca unas de otras y muy íntimamente unidas; dado que la conducción se basa en la interacción entre ellas, cuanto más unidas y más cercanas están las partículas que componen un sistema, mayor es el número de interacciones y, por lo tanto, más rápida la transferencia de energía térmica. La capacidad de una sustancia de transmitir energía térmica por conducción se denomina conductividad térmica y, cuanto mayor sea, más eficaz es la conducción a través de esa sustancia.

Aquí nos viene de perlas la analogía con la fiesta que utilizamos en el artículo anterior para explicar los estados de agregación. Los sólidos son, en general, excelentes conductores del calor, puesto que las partículas que los componen son muchas y muy “sociables”: hay un enorme número de choques entre ellas para un volumen determinado. Los líquidos son algo peores, dado que suelen ser menos densos y, además, los lazos entre partículas son menos intensos. Y los gases, esos “aislados sociales”, son terribles en cuanto a la conducción se refiere, puesto que tienen una densidad baja en general, y además las interacciones son relativamente débiles comparadas con la velocidad de las partículas. De ahí que la conductividad, prácticamente siempre, sea mayor en los sólidos que en los líquidos, y en éstos que en los gases.

Podría parecer entonces que los únicos sistemas en los que la transmisión de energía térmica es eficaz es en los sólidos densos, pero esto no es así. Irónicamente, la relativa libertad de movimiento de los fluidos les proporciona una ventaja respecto a los sólidos que, aunque no suele compensar completamente la mala conductividad de los fluidos, hace que la transferencia de calor sea muchísimo mayor de lo que sería sin esa libertad de movimiento… pero es que los fluidos hacen trampa.

Convección

Para comprender en qué consiste esa “trampa”, imagina una multitud de dadivitas en una habitación. Los dadivitas cerca de un extremo de la sala tienen mucho dinero cada uno (en términos termodinámicos, alta temperatura), mientras que los del otro extremo tienen poco dinero; en el dibujo hemos representado los dadivitas “pobres” en azul, y los “ricos” en amarillo. Si estuviéramos hablando de moléculas, la parte izquierda de la habitación estaría fría, y la de la derecha, caliente:

Mediante la conducción, para lograr igualar la situación, tendríamos que esperar a que cada dadivita fuera interaccionando con los que tiene cerca, dando y recibiendo dinero, de modo que el dinero se fuera transmitiendo, de dadivita a dadivita, hasta estar más o menos repartido por toda la habitación. Esto, como hemos dicho antes, sería un proceso bastante eficaz si se trata de un sistema buen conductor térmico –en términos dadivitas, si las criaturas se pasan el dinero rápidamente unas a otras–, pero no si se trata de un fluido con pocos dadivitas y que no interaccionan a menudo.

Pero hay otra manera de homogeneizar la situación que no requiere de intercambios de dinero. Si los dadivitas pueden moverse libremente por la habitación, como las moléculas de un fluido, no habrá más que esperar a que vayan mezclándose en sus movimientos aleatorios por la sala, hasta que la estadística siga su curso y haya más o menos la misma cantidad de dadivitas “ricos” que “pobres” en cada parte de la habitación. Recuerda, por cierto, que en el dibujo hay pocos dadivitas, pero en cualquier sistema termodinámico macroscópico, como el aire de una habitación, hay una infinidad de partículas, con lo que, como dijimos al empezar el bloque, la estadística funciona estupendamente bien. Al pasar un rato, tendríamos esto:

La habitación termina, igual que hubiera sucedido mediante la conducción, sin extremos de temperatura en ambos lados, pero no porque haya habido un trasvase directo de energía térmica entre partículas (o de dinero entre dadivitas), sino por el propio movimiento de las partículas. Pero, para que esto funcione, claro está, hace falta que exista esa libertad de movimiento, algo que sólo sucede, por definición, en los fluidos.

Y eso es precisamente la convección: la transmisión de energía térmica en un fluido mediante el movimiento del propio fluido. Cuanto mayor sea la libertad de movimiento, más eficaz será la convección, con lo que funciona excelentemente en un gas, algo peor en un líquido y horriblemente mal en un sólido –de hecho, en un sólido ideal no funciona en absoluto porque no existe libertad de movimiento–. No olvides tampoco que, en los dibujos de arriba, hemos ignorado la conducción y supuesto que sólo se produce movimiento de los dadivitas, pero en los fluidos también hay conducción, además de convección: simplemente se trata de una conducción no demasiado eficaz en general.

Si la convección simplemente funcionara como hemos dicho arriba –por el movimiento aleatorio de “mezcla” de las propias partículas que componen el sistema– seguiría siendo un proceso muy lento y, de hecho, a veces sucede exactamente así y no se gana mucha eficacia respecto a la conducción pura. Pero muchas otras veces la convección se produce “a lo bestia”, con movimientos masivos dentro del fluido que pueden notarse muy fácilmente. Para distinguir un proceso del otro, suele denominarse difusión al movimiento aleatorio que hemos descrito antes, y advección al movimiento masivo. Pero ¿qué puede producir un movimiento masivo en un fluido?

Como puedes comprender, no es el objetivo de este bloque estudiar Mecánica de fluidos –ya lo haremos en el que le corresponda–, pero creo que nuestra experiencia cotidiana es suficiente para entender el proceso básico. Para empezar, es posible mezclar un fluido de manera masiva simplemente forzando la situación; en el ejemplo de la habitación de antes, utilizando un ventilador que mezcle el aire frío con el caliente. En ese caso, suele decirse que estamos produciendo una convección forzada.

Pero muchas veces ni siquiera hace falta que hagamos nada forzadamente. Imagina, por ejemplo, el agua de una olla que está al fuego. Tenemos, por un lado, nuestro sistema termodinámico, el agua, que al ser un fluido es un conductor térmico relativamente malo pero la convección es bastante eficaz en él. Y tenemos, por otro lado, un reservorio térmico, el foco a temperatura más o menos constante que es la base de la olla (que mantiene esa alta temperatura gracias al fogón que tiene debajo).

Nuestra agua recibe energía térmica todo el tiempo… pero no por todas partes, sino por debajo. Eso significa que el agua del fondo de la olla recibe energía térmica por conducción desde el metal del fondo; al calentarse, las moléculas de agua del fondo se mueve más deprisa y el agua se expande, disminuyendo su densidad: el agua fría de arriba, comparativamente más densa, se hunde, y el agua caliente, menos densa, asciende. Como consecuencia, se produce un movimiento de gran parte del fluido que mezcla las partes frías con las calientes, y hace muchísimo más rápida la transmisión de energía térmica en el agua.

La convección de este tipo es la razón, por ejemplo, de que los aires acondicionados normalmente expulsen aire frío cerca del techo de las habitaciones: si lo hicieran por el suelo, se formaría simplemente una capa de aire frío a tus pies, que no transmitiría muy eficazmente la energía térmica hacia arriba, ya que la conducción en el aire es patética y la difusión es, por definición, lenta. Sin embargo, al estar cerca del techo y ser aire frío y denso, desciende y es reemplazado por el aire más cálido cerca del suelo, con lo que la habitación entera “se mueve” y se va enfriando más eficazmente. Lo contrario pasa, naturalmente, con chimeneas o calefacciones. Una vez más, si piensas sobre muchos fenómenos de la vida cotidiana una vez has entendido esto, verás que está por todas partes.

Podrías pensar que hemos terminado, y que no hay más formas de transmitir energía térmica: o bien se pasa energía directamente de unas partículas a otras, o bien se mueven las propias partículas… pero hay un tercer mecanismo, sin el que ni tú ni yo estaríamos vivos. Ese tercer mecanismo, aunque parezca imposible, no requiere ni de una cosa ni de otra, y desgraciadamente entenderlo en profundidad se escapa al alcance de este bloque; pero, desde luego, lo explicaremos aunque sea en términos básicos, porque es esencial. Se trata de la transmisión por radiación.

Radiación

De entre las muchas y curiosas propiedades de la materia, hay una extraña e interesantísima: tanto que a ella dedicaremos algún día, en un bloque de Electricidad, un artículo específico. Esa propiedad es el hecho de que cualquier carga eléctrica acelerada emite radiación electromagnética, el tipo de ondas al que pertenecen las de radio, los infrarrojos, la luz, la radiación ultravioleta, etc.

Dicho de otro modo: si algo tiene carga eléctrica y su velocidad cambia –pasa de estar parado a moverse o al revés, cambia de dirección en su movimiento, o cualquier otra modificación en su velocidad–, inevitablemente, sin vuelta de hoja, pierde parte de su energía en forma de radiación electromagnética. En términos de nuestros generosos y sufridos dadivitas, la situación es la siguiente: cualquier dadivita que cambia de velocidad en cualquier modo, debido a los nervios causados por el “empujón”, lanza parte de su dinero en todas direcciones y se vuelve un poquito más pobre. No pueden elegir, es algo inconsciente e inevitable, sueltan billetes sin pensarlo si se encuentran en situación de cambio de velocidad.

Aunque estas ondas electromagnéticas generadas por cargas que sufren algún tipo de aceleración son fascinantes en sí mismas, tienen multitud de aplicaciones –y peligros– y merecen un bloque entero, lo que más nos interesa ahora es algo en lo que tal vez hayas pensado ya. Las partículas que componen la materia, ya sean moléculas, iones, átomos o lo que sea, contienen cargas eléctricas. Hasta aquí, evidente, ¿no?

Pues entonces, pensemos juntos; si hemos establecido ya, al hablar del concepto de temperatura, que las partículas de cualquier sistema termodinámico siempre se encuentran oscilando, vibrando alrededor de sus posiciones de equilibrio o, si se trata de un fluido, moviéndose alocadamente y chocando unas con otras… en cualquier sistema físico hay multitud de cargas eléctricas que sufren aceleraciones todo el tiempo.

Piensa que “aceleración” significa cualquier empujón, cualquier cambio de velocidad en su valor numérico o en su dirección: un giro, un acelerón, un frenazo… y eso está sucediendo todo el tiempo, a la miríada de partículas que componen cualquier cuerpo macroscópico. Luego, si tenemos partículas con carga eléctrica que sufren aceleraciones todo el rato, no hay otra conclusión posible: esas partículas están emitiendo radiación todo el tiempo y perdiendo energía continuamente a consecuencia de ello.

En términos de dadivitas, los pobres dadivitas no pueden elegir no moverse, porque están dándose golpes unos a otros todo el rato, y cada golpe y empujón hace que suelten dinero en todas direcciones y pierdan así parte de su dinero. ¿Significa esto que los dadivitas, inevitablemente, sean más y más pobres todo el tiempo? ¡No, porque nos falta hablar de la “vuelta de la tortilla”, la otra propiedad interesante de la materia y la radiación!

Igual que las partículas, cuando sufren “empujones”, emiten radiación, cuando absorben radiación sufren empujones. De modo que nuestros dadivitas, al ponerse nerviosos, sueltan dinero en todas direcciones… pero, al estar rodeados de otros dadivitas en la misma situación, también están recibiendo dinero procedente de los otros. Como consecuencia, se mueven más deprisa, ¡lo que hace que suelten dinero de nuevo!

¿De qué depende entonces que cada dadivita vaya ganando dinero, perdiéndolo o se quede como al principio? Pues, como sucedía en el caso de la conducción, depende de quién tiene más dinero para empezar. Si eres un dadivita pobretón rodeado de ricachones, te moverás sólo ligeramente; como consecuencia, perderás poco dinero debido a la escasa violencia de tus movimientos. Tus compañeros de alrededor, al ser “ricos”, se mueven muy violentamente, sueltan billetes a diestro y siniestro, y tú te llenas los bolsillos cada vez más, porque ganas más de lo que pierdes. Pero, ¡ah, infelice!, al ser rico te mueves más deprisa, con lo que pierdes dinero más rápido y, tarde o temprano, igualas tu dinero –es decir, tu temperatura– con tu entorno.

Como ves, si miras al suelo y el aire que te rodea, puede parecer que no está sucediendo nada; pero el suelo está emitiendo radiación que recibe el aire, y el aire emite radiación que recibe el suelo, y si ambos están en equilibrio térmico no es porque no estén pasando muchas cosas, sino porque están dando más o menos la misma energía que reciben. De hecho, si lo piensas un momento, verás que entre el suelo y el aire sobre él se está produciendo transferencia por conducción, por convección –aunque sólo sea por difusión– y por radiación, todo al mismo tiempo.

Pero Pedro, puedes estar pensando tal vez, esta explicación de los dadivitas soltando y recibiendo dinero es casi exacta a la que diste al hablar inicialmente del desequilibrio térmico y la conducción. ¿Qué diferencia hay entonces entre una y la otra? Pues hay una diferencia absolutamente fundamental, la que hace que estés vivo para poder hacer preguntas como ésa.

Esa diferencia es la siguiente: en la conducción hay transferencia de energía cuando las partículas chocan. Pero la transferencia por radiación es a distancia. De hecho, es a cualquier distancia, siempre que no haya nada que absorba esa energía por el camino, y puede producirse a través del vacío, ya que a la radiación electromagnética no le hace la menor falta un medio material por el que propagarse.

Considera lo tremendo de este hecho: un miserable ión puede vibrar en el Sol, emitir por lo tanto radiación, y esa radiación puede viajar ciento cincuenta millones de kilómetros por el vacío interplanetario y luego la atmósfera terrestre para llegar a tu cabeza, ser absorbida por una molécula y calentar con ello tu testa. Y esa radiación, emitida constantemente por nuestra estrella –cuyas partículas se mueven con una violencia tan tremenda que emiten una cantidad de radiación brutal, tanto que la vemos brillar desde aquí– es la que permite la vida en nuestro planeta.

Puedes pensar, por tanto, en la conducción como una transferencia directa de dinero entre dadivitas que se encuentran, del uno al otro y viceversa. Sin embargo, la radiación es lanzar dinero al vacío, al infinito en todas direcciones… y que luego, otros dadivitas se encuentren con ese dinero y se lo metan en el bolsillo. Tal vez el efecto final sea parecido, pero la radiación puede lograr cosas que la conducción no puede. Esto también significa, por supuesto, que gran parte de la radiación emitida puede alejarse hacia el infinito sin que nadie, jamás, la absorba.

De hecho, aunque la radiación no es un fenómeno tan eficaz como los otros dos, sí es endiabladamente difícil de detener: como todo está hecho de cosas cargadas que sufren empujones, es dificilísimo no perder energía por radiación constantemente. El truco está, naturalmente, en intentar equilibrar esa pérdida rodeándose de cosas que emitan radiación de vuelta, si es posible. Pero con las ideas fundamentales de este artículo, al nivel de este bloque introductorio, vamos sobrados.

Ideas clave

Para seguir con la serie con el cinturón de seguridad abrochado, es preciso que te hayan quedado claros los siguientes conceptos:

• Existen tres mecanismos básicos de transmisión de energía térmica: conducción, convección y radiación.

• La conducción se debe a la transferencia de energía directa por choques entre partículas.

• La eficacia de una sustancia para conducir el calor se denomina conductividad térmica.

• Los sólidos tienen mayor conductividad que los líquidos, y éstos que los gases, fundamentalmente por la diferencia de densidad.

• La convección es la transferencia de energía térmica debida al movimiento de un fluido.

• Si la convección es a nivel microscópico y aleatorio, se denomina difusión, y si es masiva y perceptible a nivel macroscópico, advección.

• Los gases transmiten por convección mejor que los líquidos, y éstos que los sólidos, fundamentalmente por la diferencia de libertad de movimiento.

• La radiación es la transmisión indirecta de energía térmica debida a la emisión y absorción de ondas electromagnéticas por las cargas que constituyen la materia.

• La radiación es capaz de llegar a enormes distancias y se transmite incluso a través del vacío.

Hasta la próxima…

El experimento de hoy es, una vez más, fácil de realizar en casa con un mínimo de materiales; y, una vez más, me parece una buena manera de introducir la ciencia a los pequeños de la casa. Desde luego, si eres tan infantil como yo, disfrutarás igual que ellos al hacerlo, pero no se lo digas a nadie.