Física variada (I): gorrión frito, aire más pesado que el aire y aerogeles

Hoy os he querido traer un poco de todo: teoría de circuitos, mecánica de fluidos, ciencia de materiales… Y es que últimamente he descubierto —o redescubierto- algunas cosas que no son demasiado complejas ni difíciles de explicar pero cuyos efectos son más que sorprendentes. Me guardaré algunas para otra entrada, así no os atosigo. Vamos allá con la primera.

Empecemos con algo que oí en Órbita Laika —voy a basarme en las ideas que expusieron ellos-. ¿Por qué los pájaros —desde gorriones hasta avestruces, aunque típicamente más de lo primero- se posan en los cables de alta tensión —o alta traición, como contaba Gila- sin electrocutarse? La respuesta es sencilla. El principio físico que lo explica es que, cuando tenemos un circuito eléctrico con dos ramas en paralelo, circulará más intensidad de corriente por aquella que menos resistencia ofrezca. De este modo, al colocarse un pájaro —o cualquier otro animal, incluso alguno de nosotros colgado- en un cable por el que circula una corriente, ofrece a los portadores de carga que viajan por él dos vías: el cable, optimizado para suponer una resistencia lo más baja posible, y el animalillo, optimizado para lo contrario que se opone mucho más al paso de los electrones. La corriente “elige” en este caso continuar por el cable y aquí paz y después gloria. Entonces, ¿por qué si tocamos un cable nos podemos electrocutar? El caso es que hemos estado hablando de un pájaro que toca con ambas patas el mismo conductor. Si nosotros tocamos dos cables, seremos un “atajo” para la corriente, que nos atravesará para pasar de uno a otro. Si únicamente estamos en contacto con uno, pero no estamos flotando en el aire —lo típico- haremos de toma de tierra y tampoco saldremos bien parados… Todo esto me ha recordado a un simpático corto de Pixar. ¡Ahí va!

Es curioso lo que internet hace con nosotros… El otro día estaba estudiando los motores alternativos de combustión interna y me sorprendí a mí mismo leyendo el artículo de Wikipedia de Big Foot, con varias pestañas del navegador abiertas, entre las cuales había información también sobre los últimos avistamientos del monstruo del Lago Ness. También estaba YouTube abierto. Con este vídeo:

¿Qué está sucediendo ahí? Supongo que lo habréis adivinado. De la bombona se está dejando salir un gas que es incoloro, al igual que el aire, pero más pesado. Tenemos muy asumido que unos sólidos pesan más que otros. Y que del mismo modo sucede con los líquidos —véase la imagen de las capas de colores de abajo-. Pues bien, en los gases también, valga la redundancia.Unos pesan más que otros. Sin embargo, no estamos acostumbrados —al menos yo- a ver gases incoloros más pesados que el aire. Y es lo que tenemos en el vídeo: hexafluoruro de azufre. El misterioso y bonito efecto de la caja de aluminio que flota se consigue haciendo con este gas lo mismo que haríamos para que flotara en agua, por ejemplo. Si colocamos el ligero recipiente boca abajo, lleno de aire, flotará —podemos demostrarlo aplicando principios de fluidostática o simplemente intuición-; pero si lo “vaciamos” de aire —es decir, si lo llenamos del fluido denso- se hundirá, ya que el aluminio es más denso que dicho fluido —aquí la analogía con el agua no es tan buena porque en ese caso, para ciertas orientaciones espaciales de la caja de aluminio, podría flotar por efectos de la tensión superficial generada en la interfase líquido-gas, la cual permite que objetos más densos que el agua pero de muy reducidas dimensiones, tales como una aguja, puedan flotar-. Todos hemos experimentado esto alguna vez jugando con un cubo —o similar- en la piscina. Si cambiáramos el agua de nuestras piscinas por hexafluoruro de azufre podríamos jugar con “aire” más pesado que el aire.

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Por último, quiero mostraros algo que realmente me ha costado creer: un material más ligero que el aire. Hablo de los aerogeles, más concretamente del aerogel de grafeno, el más nuevo de ellos, una espuma basada en nanotubos de carbono congelados en seco y láminas de óxido de grafeno, a las cuales se les quita el oxígeno con un proceso químico. Descubierto en 2013 por un equipo de investigadores de la Universidad de Zhejiang (China) liderado por Chao Gao, del departamento de nanopolímeros, es el material más ligero del que disponemos, con una densidad de… *redoble de tambores* ¡0,16 mg/cm3! Si tenemos en cuenta que la del aire a presión y temperatura ambientes es de aproximadamente 1,2 mg/cm3, nos daremos cuenta fácilmente de que este material debería flotar en el aire. Intentaría constantemente escaparse hacia arriba. Es por eso por lo que me parecía tan increíble. Estuve investigando un buen rato por blogs y webs independientes, e incluso periódicos de gran tirada, y en todos lados encontraba exactamente la misma información en forma divulgativa —en algunos incluso ponía literalmente lo mismo-. De este modo, pensé que tal vez alguien filtró un bulo o tuvo un error al dar el dato de la densidad y ya todos lo pusieron mal. Pero no. Busqué el artículo original de los investigadores en la revista Nature y parece ser que es cierto —os dejo un par de enlaces al final de la entrada-.

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La densidad del aerogel de grafeno es 0,16 mg/cm3. Entonces, siendo esto cierto, ¿no debería escaparse volando como yo pensaba? Pues resulta que no, ya que los aerogeles son materiales increíblemente porosos y este concretamente posee una porosidad del ~99,9%, con lo cual su estructura está “rellena” de aire y ello hace que su densidad sea prácticamente igual a la del resto del aire del lugar. Eso sí, cualquier brisa o corriente puede hacer que salga volando. Pudiera parecernos por todo esto que comentamos que los aerogeles son materiales débiles, pero nada más lejos de la realidad: poseen estructuras resistentes —hablar detalladamente de sus propiedades daría para otras ’n’ entradas, con ’n’ tendiendo a infinito- que nos permiten soñar con acariciar las nubes con las manos =)

Nota: eso último no era del todo literal =)

http://www.nature.com/nature/journal/v494/n7438/pdf/494404a.pdf

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201204576/epdf

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Agua desordenada

Es bien sabido por todos –hasta por los niños pequeños- que la temperatura de ebullición del agua es de unos 100ºC. El punto de ebullición es la temperatura a la cual la presión de vapor del líquido estudiado iguala la presión de vapor del medio en el que se encuentra. Vamos, la temperatura a la que el líquido pasa a gas. Sin embargo, también es sabido que los líquidos se evaporan antes de llegar a su punto de ebullición. Y menos mal. Porque como los seres vivos tuviéramos que perder calor evaporando agua a 100ºC… Pues bien, ¿cómo es esto posible? O, ¿por qué sucede esto?

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Si observamos un líquido –pongamos por caso el agua- a nivel molecular, encontraremos eso, moléculas, vibrando y moviéndose. En el interior, todo es paz y felicidad, pero en la superficie, como ya comentamos una vez, no todo es tan bonito. Las moléculas se ven sometidas a una tensión que “las mantiene atadas” a ella. Por otro lado, hemos de conocer algún concepto básico de termodinámica. Y es el siguiente. Los cuerpos tienden a viajar a potenciales menores. Igual que una pelota cae hacia abajo –el potencial gravitatorio aumenta con la altura sobre la superficie terrestre- e igual que una carga positiva se ve atraída por una negativa. Todos tratan de disminuir su energía. Pues existe un concepto similar a estos llamado potencial químico, que tiene que ver con la composición de un sistema, la concentración de las distintas sustancias, etc. En general, en la vida cotidiana, el potencial químico del agua líquida es mayor que el del aire, por lo cual las partículas intentarán escapar al ambiente. Y, entonces, ¿por qué no se nos evapora el agua instantáneamente al igual que una piedra cae por atracción gravitatoria? Esto no sucede de manera tan obvia y sencilla puesto que, como acabamos de comentar, existe una fuerza que mantiene firmes a las moléculas de la superficie. De este modo, solo conseguirán pasar al medio gaseoso aquellas que, aleatoriamente, por movimientos moleculares, logren en un cierto instante escapar del líquido para no volver, ya que supondría ir hacia potenciales mayores. Además, al aumentar la temperatura, incrementamos también la energía cinética de las partículas, lo cual facilitará la fuga de pequeños H2O.

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Este fenómeno –o conjunto de fenómenos- está íntimamente relacionado con el Segundo Principio de la Termodinámica –hay que ponerlo en mayúsculas porque un nombre así lo merece, digo yo-. Existen diferentes enunciados pero todos se pueden resumir en que la entropía del Universo tiende a aumentar. ¿Qué es eso de la entropía? La forma más fácil de definirla y entenderla es como el grado de desorden de un sistema. Y siempre aumenta –o se mantiene constante en el caso de procesos reversibles, en el mundo imaginario de los planos inclinados 30º y sin fricción…-. Imaginemos por ejemplo una habitación vacía –vacía quiere decir vacía-. Imaginemos ahora que metemos un puñado de partículas que se pueden mover libre y aleatoriamente por todo el recinto. ¿Se quedarán todas apelotonadas y ordenadas en una esquina o se repartirán homogéneamente por el espacio? Claramente se dispersarán. Y esto no es algo puramente físico sino más bien matemático, de estadística. Realmente existe la posibilidad de que las partículas se acumulen en una región, pero lo más probable es que se repartan, que se desordenen –el Cosmocaixa, aquí en Barcelona, está repleto de juguetes para hacer experimentos y uno consiste en observar esto [web del museo: http://obrasocial.lacaixa.es/nuestroscentros/cosmocaixabarcelona/cosmocaixabarcelona_es.html]-. Exactamente ocurre lo mismo con el agua que pasa a vapor: el mayor desorden tendrá lugar en el estado gaseoso, en el cual las partículas bailan libremente.

El Segundo Principio es un tema muy interesante, fundamentado en la mecánica estadística y la teoría de la información, al cual probablemente volveremos otro día. Por hoy creo que es suficiente =)

 

Una última reflexión para este mes en el que no hay crisis ni calentamiento global, sino solo fútbol: are we human o are we dancer?