Física de primaria y secundaria · Grades 1–9
45Los estados de la materia y sus cambios
Seis años de sólidos que conservan su forma, de líquidos que se quedan horizontales y de gases que llenan todos los rincones — y ni una sola vez preguntamos por qué. Este año la física levanta la tapa. Debajo de los tres estados se esconde una de las ideas más grandiosas que han tenido los seres humanos: todo, absolutamente todo, está hecho de partículas demasiado pequeñas para verlas. Concede esa única idea y las reglas que llevas coleccionando desde la infancia se explican solas de un solo golpe.
45.1 La gran idea
Definición 45.1 (Las moléculas)
Toda la materia está hecha de moléculas: partículas inimaginablemente pequeñas, muy por debajo de lo que puede ver ningún ojo ni ningún microscopio escolar. Una sola gota de agua contiene más moléculas que gotas de agua hay en todos los mares. Cada sustancia pura está construida con su propia clase de molécula — el agua con moléculas de agua, el hierro con las partículas propias del hierro — y todas las moléculas de una sustancia son idénticas.
Observación 45.2 (Creer sin ver)
Nadie ha visto jamás una sola molécula a simple vista — entonces, ¿por qué creer en ellas? Porque la idea se gana la creencia: predice, correctamente, todo lo que contiene este capítulo y montañas de cosas más. Así acepta la física a un invitado invisible: no por fe, sino por una utilidad implacable. (Las imágenes directas obtenidas con instrumentos modernos maravillosos llegaron por fin hace un siglo — mucho después de que los físicos ya estuvieran seguros.)
Proposición 45.3 (El modelo de partículas de los tres estados)
Los tres estados son tres disposiciones de las mismas moléculas:
- sólido: moléculas apretadas en una pila ordenada, cada una temblando en su sitio pero sin abandonar su puesto — de ahí la forma fija;
- líquido: moléculas que siguen tocándose, pero desordenadas y libres de deslizarse unas junto a otras — de ahí que corra y de ahí la superficie horizontal;
- gas: moléculas muy separadas, volando deprisa en todas las direcciones, chocando y rebotando — de ahí que llene todos los rincones que se le ofrezcan.
Ejemplo 45.4 (Seis años de reglas, una explicación)
Pasa las viejas reglas por el modelo. Los sólidos conservan su forma: cada molécula aguanta en su puesto. Los líquidos toman la forma del recipiente y se quedan horizontales: la multitud deslizante se desploma hasta que ninguna molécula puede bajar más. Los gases llenan todo el sitio ofrecido: nada retiene a los voladores. El perfume que cruza la habitación: moléculas de gas volando, chocando y extendiéndose. La arena que se vierte como un líquido: no son moléculas que se deslizan, sino granos — y cada grano es en sí mismo un sólido ordenado y diminuto hecho de billones de moléculas.
45.2 La prueba del espacio vacío
Método 45.5 (Dos jeringuillas)
El modelo afirma que las moléculas de gas vuelan muy separadas y que las de líquido se tocan. Entonces el gas debería dejarse apretar y el líquido no. Ponlo a prueba:
- llena de aire una jeringuilla de plástico, tapa la boquilla con la yema del dedo y empuja el émbolo: cede — puedes dejar el aire en la mitad de sitio, notando una resistencia elástica;
- llena de agua la misma jeringuilla, tápala y empuja: el émbolo se planta como una pared — el agua se niega a encoger ni un pelo;
- suelta cada émbolo: el aire vuelve de un salto; el agua no se movió nunca.
Proposición 45.6 (Los gases se aprietan; los líquidos y los sólidos no)
Un gas se puede comprimir — meter a la fuerza en menos sitio — porque casi todo un gas es espacio vacío entre moléculas que vuelan. Los líquidos y los sólidos son prácticamente incompresibles: sus moléculas ya se tocan, y la materia que se toca no se puede apretar más con ningún empujón que pueda dar una mano — ni una prensa hidráulica.
Ejemplo 45.7 (El aire apretado, trabajando)
La bomba de la bicicleta mete habitaciones enteras de aire dentro de la rueda — algo posible solo porque el aire es casi todo vacío. La multitud apretada, con sus moléculas martilleando las paredes de la cubierta más deprisa y más tupidas, sostiene la bicicleta: el empuje de un gas es su granizada molecular. Las botellas de los buceadores meten una tarde entera de respiración en un recipiente de acero; el líquido de frenos incompresible, mientras tanto, lleva el empuje de tu pie hasta las ruedas sin mermarlo — cada estado contratado por su propio talento.
45.3 Los cambios de estado, releídos
Ejemplo 45.8 (Las puertas, molécula a molécula)
Calienta un sólido y sus moléculas temblorosas se sacuden con más fuerza; en el punto de fusión la sacudida revienta la pila ordenada — la multitud empieza a deslizarse: la fusión. Calienta todavía más el líquido y las moléculas más rápidas se arrancan del todo del abrazo de la multitud y salen volando: la evaporación — y en el punto de ebullición la fuga se convierte en una estampida desde el interior mismo del líquido. Enfriar pasa la película al revés: voladores atrapados (condensación) y deslizantes que se encajan en filas (solidificación). Las seis puertas del año pasado son una sola historia de abrazo molecular contra sacudida molecular.
Ejemplo 45.9 (Viejas leyes, de regalo)
Dos leyes ganadas con esfuerzo llegan ahora gratis. La masa sobrevive a los cambios de estado: la fusión recoloca moléculas, pero no crea ni destruye ni una sola — las mismas partículas, la misma masa. Las mesetas de temperatura: en el punto de fusión, el calor que llega se gasta en romper el abrazo de la pila, molécula a molécula, y no en sacudidas más rápidas — el termómetro espera hasta que se rompe la última fila. Lo que descubrió la medida, lo explica el modelo.
Observación 45.10 (El hinchamiento raro del agua)
Hasta el extraño hinchamiento del agua al congelarse se apunta: las moléculas de agua resultan encajar en una pila insólitamente aireada — una red abierta con más espacio vacío del que tenía la multitud deslizante. Pila más aireada, más sitio, menos densidad: el hielo flota en su propio líquido. Casi todas las sustancias se apilan más apretadas de lo que se deslizan; la arquitectura del agua es la preciosa excepción.
45.4 El calor, visto desde dentro
Proposición 45.11 (La temperatura y el movimiento molecular)
La temperatura mide la viveza del movimiento molecular: cuanto más caliente está una sustancia, más deprisa tiemblan, se deslizan o vuelan sus moléculas. El calor que fluye de lo caliente a lo frío es la multitud animada calmándose mientras espabila a la adormilada — choque a choque — hasta que las dos comparten un mismo ritmo: una sola temperatura. La vieja ley de la cuesta abajo del calor es tenis de mesa molecular.
Ejemplo 45.12 (El frío no es una sustancia)
El modelo jubila para siempre una vieja tentación: no hay nada llamado “frío” que fluya. Solo hay movimiento molecular más lento y más rápido; el animado presta animación, nunca al revés. En lo más frío imaginable — con las moléculas tan quietas como permite la naturaleza — hay un verdadero suelo de la temperatura, muy por debajo de cualquier congelador; su número extraño y famoso pertenece al volumen de secundaria.
45.5 Ejercicios
Ejercicio 45.1 ★
Enuncia la imagen que da el modelo de partículas de cada uno de los tres estados, en una línea cada uno.
Ejercicio 45.2 ★
¿Por qué conserva su forma un sólido mientras un líquido toma la de su recipiente? Responde con moléculas, no con reglas.
Solución
Solución de Ejercicio 45.2.
En el sólido, cada molécula aguanta en su puesto dentro de la pila, así que el conjunto conserva su forma. En el líquido, las moléculas se deslizan libremente unas junto a otras sin dejar de tocarse: la multitud se desploma hasta encajar en el recipiente, hasta que nada puede bajar más — la superficie horizontal.
Ejercicio 45.3 ★
En la prueba de la jeringuilla, ¿por qué cede el aire y vuelve de un salto, mientras el agua se planta como una pared?
Ejercicio 45.4 ★
Una bomba de bicicleta mete muchas habitaciones de aire en una sola rueda. ¿Qué demuestra esto sobre la separación de las moléculas de gas? ¿Podría hacer lo mismo una bomba con agua?
Ejercicio 45.5 ★
Cuenta la historia de la fusión en lenguaje molecular: ¿qué hace el calor y qué se rompe en el punto de fusión?
Ejercicio 45.6 ★
¿Por qué sobrevive la masa a todos los cambios de estado, según el modelo? ¿Qué tendría que pasarles a las moléculas para que se perdiera masa?
Ejercicio 45.7 ★
¿Qué mide la temperatura, según el modelo? Describe el flujo cuesta abajo del calor como tenis de mesa molecular.
Solución
Solución de Ejercicio 45.7.
La viveza del movimiento molecular. Cuando lo caliente toca lo frío, las moléculas animadas aporrean a las adormiladas y les entregan animación choque a choque — las animadas se calman y las adormiladas se espabilan — hasta que las dos multitudes comparten un mismo ritmo: temperaturas iguales.
Ejercicio 45.8 ★
Un perfume abierto en una punta de una habitación en calma se huele en la otra punta un minuto después. Explica el viaje — y por qué una brisa lo acelera.
Ejercicio 45.9 ★★
La evaporación enfría lo que deja atrás: el sudor te refresca la piel y un dedo mojado levantado nota de qué lado sopla el viento frío. Explícalo con la fuga de las moléculas más rápidas — ¿qué clase de multitud se queda atrás?
Solución
Solución de Ejercicio 45.9.
Solo las moléculas más rápidas pueden arrancarse del abrazo del líquido, así que la evaporación es un impuesto sobre la viveza: las fugitivas se llevan más de lo que les corresponde y la multitud que queda atrás es, de media, más lenta — es decir, más fría. El sudor y el dedo mojado se enfrían exportando a sus más vivas.
Ejercicio 45.10 ★★
Un globo cerrado que se deja al sol de verano se hincha; en el frigorífico se desinfla. El número de moléculas de dentro no cambió nunca. Explica los dos cambios con la velocidad molecular y la granizada sobre las paredes.
Solución
Solución de Ejercicio 45.10.
Al sol, las moléculas atrapadas vuelan más deprisa y martillean la piel con más fuerza y más a menudo: la granizada hincha el globo hasta que la piel estirada la equilibra. Con frío, esas mismas moléculas se frenan, el martilleo se debilita y el empuje del aire de fuera aplasta el globo hasta dejarlo más pequeño.
Ejercicio 45.11 ★★
¿Por qué flota el hielo, en lenguaje molecular? ¿Qué tiene de raro la pila que construyen las moléculas de agua y qué harían los estanques en invierno si el agua se apilara como las sustancias corrientes?
Solución
Solución de Ejercicio 45.11.
Al congelarse, el agua encaja en una pila insólitamente aireada y abierta — con más espacio vacío del que tenía la multitud deslizante —, así que el hielo ocupa más sitio con las mismas moléculas: densidad por debajo de la del líquido, y flota. Si el agua fuera corriente, el hielo se apilaría apretado, se hundiría según se formara y los estanques se congelarían de abajo arriba — sin dejarles a los peces ninguna agua resguardada.
Ejercicio 45.12 ★★★
Una gota de tinta soltada con suavidad en el fondo de un vaso de agua en calma se extiende despacio, a lo largo de horas, hasta que toda el agua queda ligeramente azul — sin remover y sin corrientes. Explica qué revela esa expansión paciente sobre las moléculas de un líquido — tanto las del agua como las de la tinta — y por qué la misma gota se extiende más deprisa en agua templada. (Esta humilde observación fue una de las grandes pruebas tempranas de toda la idea molecular.)
Solución
Solución de Ejercicio 45.12.
Nada removió el agua y, sin embargo, la tinta viajó: las propias moléculas del líquido están en movimiento incesante y empujan a las moléculas de tinta paso a paso, al azar, a través de la multitud — los dos líquidos están vivos de movimiento en cada instante, aunque el vaso parezca perfectamente quieto. El calor acelera todos los empujones, así que la expansión se apresura. La tinta paciente hizo así visible la danza invisible — la prueba que convenció a quienes dudaban de las propias moléculas.
45.6 Problema: el teatro molecular
Problema 45.1
Problema de fin de semana — la clase representa el modelo de partículas en el gimnasio; alumnos de moléculas, estados de coreografía; las preguntas de la crítica
La clase de física representa la propia materia: treinta alumnos hacen de moléculas de una sustancia, y el gimnasio es el recipiente.
Parte I — Tres escenas.
- Escena uno, el sólido: ¿cómo tienen que colocarse los treinta y qué pequeño movimiento tiene que seguir haciendo cada uno? ¿Qué no puede hacer ninguno?
- Escena dos, el líquido: ¿qué cambia en la disposición y qué libertad nueva aparece? ¿Qué tienen que seguir haciendo los alumnos y que la escena del gas abolirá?
- Escena tres, el gas: describe la coreografía — y di por qué esta escena necesita el gimnasio entero mientras que las dos primeras se apiñan en un rincón.
- El público pregunta: “¿Son los mismos treinta alumnos en las tres escenas?”. ¿Qué ley del año pasado representa la respuesta?
Parte II — La crítica pone a prueba la obra.
- Un crítico empuja con suavidad a la multitud de la escena del gas y la arrea hasta la mitad del gimnasio. ¿Lo permite la escena? ¿Y el mismo empujón sobre el apiñamiento de la escena del líquido? Nombra la proposición que se está representando.
- Para representar la fusión, el director sube un mando imaginario de calor. ¿Qué tienen que hacer cada vez más los alumnos del sólido y en qué momento se convierte la escena legalmente en la escena del líquido?
- La obra tiene que enseñar la meseta de la fusión: mientras ocurre el cambio, ¿en qué se gasta la energía del mando de calor — y qué tiene que informar el “crítico termómetro” sobre la viveza media de los alumnos durante ese rato?
- Representa la evaporación desde la escena del líquido: ¿qué alumnos abandonan el apiñamiento — cualquiera al azar o una clase concreta? ¿Qué le pasa a la viveza media del apiñamiento cuando se van y qué frío cotidiano explica esto?
Parte III — Efectos especiales.
- El efecto globo: la escena del gas queda cercada por unos alumnos que sujetan un aro de cuerda (la piel del globo). ¿Qué le hacen los actores moleculares a la cuerda y qué le pasa al aro cuando los actores se mueven más deprisa?
- Hay que representar la extraña congelación del agua. ¿Qué instrucción insólita sobre la separación le da el director a la pila de la escena del sólido y qué hecho sobre la flotación explica?
- El final de la gota de tinta: un alumno con camiseta azul empieza en un rincón de la escena del líquido. Sin ningún empujón del director, ¿cómo acaba la camiseta azul lejos de su rincón — y por qué más deprisa si se sube el mando de calor?
- Escribe la nota del programa: di en tres frases qué única idea representa la obra entera, nombra dos leyes viejas que explica de regalo y admite con honradez lo que ninguna escena puede enseñar (lo pequeños y lo numerosos que son los actores de verdad).
Solución
Solución de Problema 45.1.
1. En filas ordenadas, hombro con hombro y cada uno moviendo el cuerpo en el sitio — y ninguno puede intercambiar el puesto ni abandonarlo. 2. Las filas se deshacen: los alumnos siguen hombro con hombro (¡tocándose!), pero ahora se entrelazan y se deslizan unos junto a otros. Tienen que seguir manteniendo el contacto con la multitud — nadie puede echar a correr libre. 3. Los alumnos se dispersan, corriendo rápido y recto hasta chocar entre sí o contra una pared, rebotando sin parar — y, como nada los mantiene juntos, solo las paredes los detienen: la multitud reclama todos los rincones que ofrece el gimnasio. 4. Sí — los mismos treinta en todas las escenas: la masa sobrevive a los cambios de estado, representada. 5. La escena del gas lo permite — los corredores se apiñan en la mitad del gimnasio (y martillean con más fuerza a quienes los arrean). El apiñamiento del líquido no puede encoger: los alumnos ya se tocan. Representado: los gases se aprietan, los líquidos no. 6. Moverse cada vez más fuerte en su puesto; la escena se convierte en la del líquido en el momento en que ese movimiento revienta las filas y los alumnos empiezan a deslizarse unos junto a otros. 7. La energía del mando se gasta en romper el abrazo de la pila — fila a fila — y no en un movimiento más rápido: el crítico termómetro tiene que informar de que la viveza media no cambia hasta que se rompe la última fila. La meseta, representada. 8. Los alumnos más rápidos — solo ellos pueden arrancarse. La viveza media del apiñamiento que queda baja: el líquido se enfría a sí mismo al evaporarse, exactamente el frío del sudor y de los dedos mojados. 9. Los actores chocan una y otra vez con la cuerda y la empujan hacia fuera; unos actores más rápidos empujan con más fuerza y más a menudo, y el aro se hincha — el globo al sol. 10. “Apilaos en orden abierto — a un brazo de distancia, aireados”: el sólido del agua ocupa más sitio que su líquido, así que la balsa de la escena de hielo flotaría sobre la multitud de la escena líquida. 11. A la camiseta azul la van empujando — golpe a golpe, al azar, a través de la multitud deslizante — hasta que ha vagabundeado por todas partes: la tinta difundiéndose. Sube el mando y todos los empujones se aceleran, así que el vagabundeo se apresura. 12. Por ejemplo: “La obra de esta noche representa una sola idea: toda la materia son moléculas en movimiento. Concedida esa idea, dos leyes viejas llegan gratis — que la masa sobrevive a todos los cambios de estado y la meseta de la fusión. Lo que no podemos representar es la escala: los actores de verdad son más pequeños que cualquier mirada y más numerosos que todos los públicos del mundo”.