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