I. � QU� VAMOS A ESTUDIAR ?
OBSERVE el lector cuidadosamente el contenido de la reproducci�n
del cuadro de Van Gogh intitulado Naturaleza muerta con que ejemplificamos,
en gran parte, el contenido de esta obra. El t�tulo de la obra de arte es muy
sugestivo. En efecto, los trozos de pan, el cuchillo, el vino contenido en la
garrafa y en las copas, el resto de los objetos que componen el tema de la obra
de este gran artista aparentan ser inmutables con el tiempo. Todo el conjunto
produce una sensaci�n de reposo, de calma absoluta. Y en efecto, as� es para
el observador que admira la obra sin pensar en otra cosa m�s que en la imagen
gruesa, macrosc�pica, como dicen los cient�ficos, que quiso proyectar el pintor.
Sin embargo, cada uno de los trozos de materia s�lida ah� pintados, el vino
de la garrafa, las copas y la atm�sfera, imperceptible en el cuadro, pero que
evidentemente debi� haber constituido el medio ambiente en que se encontraban
esos manjares, est�n constituidos por part�culas muy peque�as, imperceptibles
al ojo humano llamadas �tomos, o por conglomerados de �tomos conocidos por mol�culas.
�Podremos imaginar qu� hacen o c�mo se comportan los �tomos o mol�culas que
constituyen el pan, el cristal, el vino, etc., motivos de esta pintura? �Si
pudi�semos penetrar con un ultramicroscopio u otro artefacto a las entra�as
de estos trozos de materia nos encontrar�amos a estos �tomos tambi�n quietos,
en reposo, proyectando esa imagen de tranquilidad, de quietud y de calma que
caracterizan a esos pedazos grandes de materia?
�Podr�a un artista de la talla de Van Gogh pintar el mismo cuadro concibiendo
a cada uno de sus componentes como un conglomerado de millones y millones de
�tomos o mol�culas y proyectar una imagen tan bella y tranquila como la que
estamos contemplando?
Intrigados por este cuestionamiento, dejemos un momento esta magn�fica obra de arte y motivados por su imagen pensemos un poco en el mundo que nos rodea, por ejemplo, en algunos de los objetos m�s comunes en nuestra vida cotidiana. Empecemos por el acto m�s com�n a horas tempranas de la ma�ana cuando llenamos una olla con agua para hacernos una taza de caf�. Esa porci�n de agua que ponemos en la olla, si la dejamos reposar un rato antes de hervirla, nos dar� la misma sensaci�n que el vino contenido en la garrafa del genial Van Gogh. Un l�quido inanimado, en reposo, pero sin el atractivo del vino, desde luego. Inconcientemente tomamos esa olla, encendemos la estufa y de nuevo, al cabo de unos minutos, regresamos para contemplar un fen�meno completamente distinto. Si somos curiosos, el fen�meno empieza cuando se comienza a observar un vapor blanco surgir de la superficie del l�quido, al que todos conocemos como vapor de agua, seguido de la formaci�n de unas cuantas burbujas que surgen de las paredes y del fondo de la olla para "brotar" en la superficie. Unos segundos despu�s, el agua empieza a agitarse violentamente, aparecen burbujas chicas y grandes, el agua se agita, e incluso se escuchan ruidos caracter�sticos de este fen�meno: en ese momento decimos que el agua hierve. Si apagamos la lumbre, vertemos el caf� y esperamos otros minutos, recobramos un cuadro muy similar al original: un l�quido en reposo, pero ahora de color caf� obscuro, el cual, excepto por el cambio en su color, los residuos s�lidos del caf�, y quiz�s algo de espuma en la superficie, aparece tan inanimado como el agua que empleamos para hacerlo, antes de hervirla. �Qu� ha sucedido en todo este proceso? �Cu�l es el efecto tan notable del calor suministrado por la lumbre de la estufa que provoca toda esa efervescencia en el l�quido, el cual se pierde paulatinamente al dejarlo enfriar? �Por qu� hay tan pocas obras de arte que capten este fen�meno tumultuoso y otros similares? �Es m�s f�cil pensar en la materia como algo inanimado?
Examinemos estas cuestiones un poco m�s. Al escribir estas l�neas uso un l�quido, la tinta azul que emana de la pluma, y un s�lido, posiblemente un pl�stico, con el que est� fabricada la pluma. La hoja tambi�n es un s�lido, y sobre su superficie existe inevitablemente una capa de aire, del mismo aire que respiramos todo el tiempo. Convivimos, pues, con la materia misma en sus tres fases: gas, l�quido y s�lido. Nos es tambi�n familiar el hecho de que es factible, bajo determinadas circunstancias, pasar de una fase a otra. Ya vimos que al hervir el agua la convertimos en vapor, sin�nimo de gas. Si ahora la enfriamos en una hielera, la convertimos en hielo, en un s�lido. Esta hoja de papel es conceptualmente posible de licuar y ciertamente de gasificar. Lo mismo podr�amos hacer con la tinta o con el material pl�stico de que est� fabricada la pluma. Estos cambios, as� como las propiedades mismas de la materia en sus tres fases, deben estar relacionadas con el comportamiento de los �tomos o las mol�culas que los forman. Es adem�s evidente de los ejemplos anteriores que los procesos de calentamiento y enfriamiento tienen una influencia notable, tanto en las propiedades mismas de las tres fases en que nos encontramos a la materia, como en los cambios entre ellas. �Es posible establecer una relaci�n entre todas estas facetas tan diferentes y caprichosas que exhiben los gases, los l�quidos y los s�lidos, concebidos como conglomerados de miles de millones de �tomos o mol�culas? Sorprendentemente la respuesta es afirmativa y la rama de la f�sica que se encarga de decirnos c�mo y por qu� ocurren todos estos fen�menos se conocen como la teor�a cin�tica, �de qui�n?, claro, de la materia. Penetremos pues en ese mundo que nuestro gran artista, aunque quiz�s conocedor de �l, no pudo, o posiblemente no quiso, expresarnos por medio de una obra de arte. Y es que para captar este fascinante mundo microsc�pico, para percatamos de la presencia de estos peque�os constituyentes de toda la materia, los �tomos que al constituirse en verdaderas sociedades de millones y millones de ellos de alguna forma arm�nica y sincronizada, nos revelan su presencia justamente a trav�s de las formas caprichosas que exhiben los l�quidos, los s�lidos y los gases en diferentes circunstancias, tenemos que emplear herramientas mucho m�s delicadas, finas y sensibles, que las que utilizan normalmente los pintores. Veamos qu� podemos aprender acerca de ello.
Para empezar recordemos un poco la historia de la ciencia en la �poca de la especulaci�n filos�fica. Ya desde el a�o 400 a. C. los fil�sofos griegos Leucipo y Dem�crito hab�an imaginado el mundo como formado por part�culas muy peque�as que llamaron �tomos, part�culas indivisibles, de extensi�n finita pero de n�mero infinito. Estos �tomos est�n adem�s en movimiento constante. En su magn�fica obra De la naturaleza de las cosas, el gran poeta y fil�sofo Lucrecio, nacido seg�n fuentes fidedignas el a�o 95 a. C., se refer�a a esta concepci�n atom�stica de la materia en forma muy semejante a la descrita al referirnos a la pintura de Van Gogh. En efecto, en el libro II del poema, al referirse a la aparente quietud de las cosas, dice:
| Las cosas aparecen quietas aunque los principios (�tomos) se muevan sin tregua; sus movimientos no se ven porque ellos son invisibles. Incluso las cosas visibles, si est�n lejos, ocultan sus movimientos... |
Por reales y contempor�neas que nos parezcan estas frases no dejan de ser meras especulaciones que cayeron en el olvido r�pidamente al no concordar con descubrimientos posteriores que permanecieron vigentes por casi 16 siglos despu�s de Lucrecio. Es, sin embargo, interesante subrayar que pasaron por la mente de estos grandes hombres a pesar de estar basadas en observaciones muy burdas de algunos fen�menos naturales que esencialmente proporcionaban evidencia acerca de la conservaci�n de la materia.
La teor�a cin�tica de la materia en realidad vio sus primeras luces a principios
del siglo XVIII, en un trabajo, todav�a con car�cter especulativo, escrito por
el gran matem�tico suizo Daniel Bernoulli, bajo el t�tulo de Hydrodynamica.
En esta obra Bernoulli construy� una teor�a muy completa y en esencia correcta
de la teor�a cin�tica de los gases. Desafortunadamente fue escrita en una �poca
en la que todav�a exist�an grandes pol�micas sobre la naturaleza del trabajo
y el calor y su relaci�n con el concepto de energ�a. Como ya hemos expuesto
en otra obra de esta serie, De la m�quina de vapor al cero absoluto,1
estos conceptos y sus relaciones no fueron correctamente enunciados y comprendidos
sino hasta mediados del siglo XIX con los trabajos de Rumford, Joule, Mayer,
Clausius y Von Helmholtz, que culminaron en lo que ahora se conoce como la termost�tica
o termodin�mica cl�sica. Fue realmente en esta �poca en que adquiri� sentido
la posibilidad de interpretar todos los fen�menos descriptibles por las leyes
de la termost�tica en t�rminos de los �tomos que componen a la materia: la teor�a
cin�tica de la materia encuentra entonces su escenario natural. Veamos pues
c�mo se desarrolla este proceso.
NOTAS
1 Ver la referencia (2) de la bibliograf�a.
