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¿Qué es un gas? (4)

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A estas alturas ya tenemos más que claro que los gases están formados de partículas muy pequeñas que se mueven muy rápido. Pero, ¿cómo de rápido? Pues depende de la temperatura.

Nosotros, seres humanos, somos demasiado grandes como para ver los átomos y moléculas individualmente. Vivimos en un mundo macroscópico. Para nosotros, la temperatura no es más que una sensación que percibimos en nuestra piel, pero no sabemos muy bien qué significa.

Lo que sí sabemos es que para calentar un gas hay que darle energía. Y cuando está caliente, podemos extraer parte (no toda) de la energía que le habíamos dado para efectuar un trabajo útil.

Pero, ¿donde va la energía que le damos al gas para calentarlo? Si está formado de partículas, no queda más remedio que dicha energía vaya en las propias partículas que forman el gas. Y cuando una partícula tiene energía, lo que hace es moverse. Y cuanta más energía tenga, más rápido se moverá.

Como seguramente sabéis, la energía debida al movimiento recibe el nombre de energía cinética. Así, por lo tanto, al aportar energía a un gas para calentarlo, lo que hacemos es aportar energía cinética a sus partículas. Es decir, las partículas de un gas caliente se mueven más rápido que las de uno frío (y esto es cierto para todos los estados de la materia, no solo los gases).

En consecuencia, la temperatura no es más que una medida de la energía cinética media que tienen las partículas de un gas. Y fijaos que digo media, habrá algunas partículas más rápidas, otras más lentas.

Como hay tantísimas partículas en un gas, no tiene sentido fijarnos en cada una, acabaríamos con una cantidad enorme de datos que sería imposible tratar, no tendría sentido. Por eso, nos tenemos que quedar con variables estadísticas que nos den información sobre los valores medios, la dispersión y distribución de probabilidad. Por eso, la rama de la Física que estudia estas cosas se llama, precisamente, Física estadística.

Fijaos que estamos diciendo que la temperatura es una medida de la energía cinética media. Dos gases de diferente composición a la misma temperatura tienen partículas con la misma energía cinética media. Pero si las masas de sus partículas son diferentes, entonces las velocidades serán diferentes. Si, por pura curiosidad, tomamos la masa de una molécula de nitrógeno (el componente principal del aire), y hacemos los números (os voy a ahorrar las ecuaciones), veríamos que la velocidad promedio de las partículas en el aire a temperatura ambiente ronda los 1800km/h. La molécula de oxígeno es algo más pesada, y por lo tanto irán un poco más lentas.

Ahora bien, ¿qué pasaría si todas las partículas del gas estuvieran detenidas? Entonces, la energía cinética media sería cero, y por lo tanto nos encontraríamos con la temperatura más baja que es posible. Resulta que esta temperatura es, aproximadamente, -273,15ºC.

Como ese es un número muy feo, alguien tuvo la genial idea de inventar una nueva escala, llamada temperatura absoluta, según la cual a la temperatura mínima posible le corresponda el valor cero; por eso la llamamos el cero absoluto. Por lo tanto, en esta escala no existen temperaturas negativas. Para pasar de la escala Celsius a la absoluta, simplemente hay que sumar 273,15. Por lo tanto, una temperatura de 25ºC equivale a 298,15K.

Ahora bien, hasta ahora sólo hemos hablado de movimientos de traslación (es decir, la partícula se traslada hacia otro lugar). Pero también es posible que un cuerpo tenga energía cinética de rotación (gira sobre si mismo, en el mismo sitio). ¿Las partículas de un gas pueden también rotar? En el próximo capítulo veremos que sí, y que ello tiene implicaciones importantes sobre la energía que debemos aplicar al gas para calentarlo.

En Genciencia | ¿Qué es un gas? 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 y 9

Foto | Turtlemon4bacon

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