Milagro en el filo (III)

Nuevamente y, a continuación de la entrada, dejaré constancia de los comentarios de cierto interlocutor que prefiere mantener su anonimato.

1.

Sigue desde …

Para seguir adelante, el torpe estudiante (es decir, yo) debe ordenar sus ideas, que es la manera fina de decir que debe poner por escrito algunos conceptos, a ver si me voy enterando.

Además, si acierto («a nivel básico»: ¿está claro?), podremos evitar discusiones futuras que sólo sirven para enrarecer el ambiente y demostrar que el alumno no ha asimilado los fundamentos de la asignatura.

El primero de esos conceptos es el de calor. La relación de la vida con el calor y de la muerte con el frío son notorias. La muerte se ve, desde la antigüedad, como una pérdida del calor interno, de la llama que algunos fueron localizando en diferentes órganos. No es extraño que se haya considerado, al Sol, dios máximo en tantas religiones hoy desaparecidas. Cuando los primeros «medidores», Fahrenheit y Celsius, establecieron sus reglas no cayeron en la cuenta de que dos sustancias diferentes no modificaban su temperatura en el mismo grado a pesar de «absorber» la misma cantidad de calor. Esa consecuencia, que implicaba un problema a la hora de utilizar diferentes materiales como termómetro, fue explicada por Joseph Black mezclando la idea de que el calor era un fluido con la de que sólo provocaba un aumento de temperatura cuando saturaba la capacidad del material al que se le aplicaba. Y ese fluido se almacenaba y podía extraerse. A ese fluido se le dio el nombre de calórico e incluso fue medido: a la medida se le llamó caloría.

Esa teoría, sin embargo, no explicaba por qué dos materiales que se calentaban por rozamiento seguían pesando lo mismo, a pesar de haber perdido «calórico». A lo largo del siglo XIX se fue confirmando que el calor no era un fluido, sino movimiento. Nosotros sentimos que un cuerpo está caliente porque se suman los movimientos atómicos y moleculares de las partículas que los forman, y los cuerpos aumentan o disminuyen de temperatura según aumenta o disminuye la velocidad media de sus partículas. En gran medida, esa conclusión fue resultado del análisis del comportamiento de los gases: en el comportamiento de los gases es imposible medir partícula a partícula. El globo lleno de aire parece tener una forma constante, aunque es resultado del golpeo en las paredes del plástico de los innumerables átomos y moléculas del gas. Cuando se relacionó el volumen de un gas con su presión y su temperatura (si usted disminuye el volumen, la presión y la temperatura del gas aumentarán), y se descubrió que todos los gases se expandían en una misma proporción cuando se aumentaba la temperatura en una misma escala, la idea de que el calor era resultado del movimiento y de que al cesar el movimiento no habría calor, se impuso. Cuando se calculó la disminución de la presión al disminuir la temperatura, en un recipiente que se mantenía igual, y se vio que era de 1/273 por cada grado Celsius, se pudo fijar el mínimo, el cero absoluto: aquél en el que las partículas del gas ya no se mueven. Ya veremos en la próxima entrada que una de las leyes de la termodinámica impide llegar ahí.

Pero, si se transfería el calor y el calor es una medida del movimiento, la pregunta sobre qué se transfiere permanece. La respuesta requiere la presentación del segundo concepto: energía. Nuestros amigos los físicos, tremendamente prácticos como son, nos explican descriptivamente qué es energía: la capacidad para realizar un trabajo. Y nos aseguran que hay diferentes tipos de energía: cinética, potencial gravitatoria, magnética, eléctrica, química y de los enlaces nucleares.

Alguien me dijo, en cierta ocasión, cuando preguntaba por la transformación de la energía y su conservación (eso de que no se crea ni se destruye, sólo se transforma), que una cosa es energía y otra calor. Esto tiene que ver con ese proceso que denominamos trabajo. Cuando se transfiere energía de un cuerpo a otro de forma coherente, a ese proceso le denominamos trabajo. Cuando parte de la energía simplemente aumenta, de forma caótica, el movimiento de los átomos y moléculas del cuerpo que lo recibe, ese segundo proceso es el calor, o flujo calórico. El flujo calórico se dirige a todas partes, en todas direcciones, de forma que el movimiento global se va igualando. Es una forma de reparto de la energía que se caracteriza porque esa energía termina por no ser utilizable para realizar ningún trabajo. Es energía de «mala calidad». Una de las «versiones» del segundo principio de la termodinámica, la de Clausius, dice: no es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la transferencia de energía de un cuerpo más frío a otro más caliente. La conversión de energía en calor señala un camino irreversible.

Esto nos permite introducir nuestro tercer concepto: exergía. La exergía mide la «calidad» de la energía, pero es una medida que se produce entre un sistema y su entorno. Nos dice, teóricamente, qué cantidad de trabajo se puede realizar en el sistema por la existencia de energía utilizable en el entorno. Mide, en consecuencia, también, cómo de alejados están del equilibrio, el sistema y el entorno. Esto es así, porque la existencia de un gradiente, de una diferencia, entre el sistema y su entorno, es lo que permite que se produzca esa transferencia de energía en forma de trabajo.

Finalmente, podemos entrar en el cuarto concepto: el de equilibrio. La termodinámica clásica partía de una idealización que le permitía trabajar (¡ajá!). Los sistemas estudiados están aislados, encerrados entre paredes rígidas, y no deben permitir que el calor se escape. Por desgracia, esa idealización, como su nombre indica, no se da en la naturaleza. Así que, para trabajar, se llega a compromisos. En cualquier caso, el resultado ideal final de todo sistema cerrado es el de equilibrio; partículas que terminan repartiéndose uniformemente. Sin embargo, en algunos, la presencia de un gradiente, de una fuente de energía del entorno, impide que el sistema llegue a ese estado de equilibrio. En estos caso, los físicos distinguen entre sistemas cercanos y alejados del equilibrio. La distinción tiene que ver con la predecibilidad de los cambios que se producen en el sistema dependiendo de los cambios que se producen en su fuente de alimentación energética. Algunos de esos sistemas alejados del equilibrio, sin embargo, terminan organizados de manera que resultan estables: usted, lector, es uno de esos sistemas.

2.

Muchas gracias por haberme dejado revisar su valioso manuscrito y por permitirme hacer algunas anotaciones.

Realmente es curiosa la mezcla entre temperatura y calor que se observa en su primer párrafo expositivo. Lo único que se puede decir de estas cosas es que se trata de un caso, extraño, en el que una sensación acaba midiéndose. No habrá conocido un medidor de alegría o de dolor; pero, al fin, sí tuvimos termoscopios, termómetros y calorímetros. Es un trabajo interesante entender por qué podemos construir termómetros y no, aún, dolorómetros.

Cierto es que al principio fue el calórico. Es quizá uno de los casos más idiotas de teoría existosa pero idiota. El sistema ptolemaico aún hoy se respeta como un error natural: a fin de cuentas todos vemos cómo nace y muere el Sol. ¿Pero el calórico? Cómo pudo sobrevivir dos meses si el mero hecho de frotarse las manos ya sirve para cuestionarla. Bueno sí, hay un motivo: explica muy bien cómo se enfría una taza de té bien caliente. Y en general explica todos los fenónemos en los que el calor se conserva. Lo que ocurre cuando no hay trabajo.

Esto me lleva a la energía. La energía es lo que permanece. Vuelto en pasiva, observamos que algo permanece y eso es importante y lo prestigiamos dándole nombre. Sobre la energía, el calor y el trabajo sólo daré un ejemplo canónico. Imagine un embalse que se llena por el aporte pluvial y el aporte fluvial de aguas arriba. Y se vacía por evaporación o por la apertura de compuertas aguas abajo. Llover o evaporar es todo uno. Entrar o salir por el curso del río también. La energía es el agua del embalse; calor y trabajo son formas diferentes de llenar o vaciar el embalse: uno por lluvia/evaporación otro por entrada/salida. Lo significativo, sin embargo, es que el agua que reside en el embalse, agua es. Es decir, no puede etiquetarse o distinguirse si llegó del cielo o del cauce.

No obstante, a la hora de hablar de trabajo, calor o energía conviene adoptar la sabia decisión de empezar la casa por el suelo. Y dejar el tejado para después. El suelo es el formalismo mecánico, que permite conocer el trabajo y la energía. El techo es observar que no todo lo que reluce es mecánica. Y ahí topamos con el frío.

Mire, un mecánico (y no me refiero a los del mono azul) habrá aprendido del trabajo, de la energía y de su conservación. Pero no sabrá nada de calor ni de temperatura. Un mecánico observa una grabación de, digamos, un péndulo, ideal por supuesto, batiendo, y no sabrá si la grabación va marcha adelante o marcha atrás.

Un mecánico necesita algo más para comprender por qué sí sabemos distinguir entre un vídeo marcha adelante y uno marcha atrás. Y la respuesta, que es sorprendemente fácil y diríase hoy evidente, debe de ser una respuesta ontológicamente direccional: que marque y deje claro una preferencia, y rompa una equivalencia. Otro día se la cuento: que, además, tiene que ver con la muerte, destrucción y transfiguración del calórico.

Lo importante es que de esa respuesta se deduzcan consecuencias. Y se hace; vaya que si se hace. Por ejemplo, oh lá lá, la temperatura o el equilibrio (el cuarto concepto, qué bien dejarlo para el final). Es mejor reconocer dónde se soportan estos dos conceptos, antes que admitirlos como verdades evidentes; pues es trabajo de la ciencia explicar las verdades que tomamos como evidentes. Esta, más o menos, es una erudita cita de un tal Proclo (donde ciencia es geometría y verdad evidente es la desigualdad triangular, tan euclediana y discutida), pero no me extenderé en la filosofía tardoneoplatónica porque, realmente, no me apetece.

De la exergía no hablaré. Se necesita mucho valor para hablar ahora de ella. Yo comprendo que quiera. Pero se necesita valor. Es como empezar por el techo. Se corre el riesgo de precipitarse.

Y permítame ahora un apunte sobre el sistema aislado. Hay un error conceptual en esa parte. Diríase que la hubiera escrito un ingeniero. Es legendaria la capacidad del hombre para estudiar las cosas más extrañas: desde el melón esférico al planeta puntual. Pero… no, no es eso. Que no existan los sistemas aislados no quiere decir que no se puedan inferir sus propiedades. Se infieren, se estudian y, si quiere, se hipotizan. Lo bueno es que conocidas las propiedades del sistema aislado se pueden conocer las propiedades de un sistema que no esté aislado. ¿Cómo? Usando el viejo truco de las matrioskas rusas. Rodeándolo de su entorno tal que el sistema y el entorno constituyan un sistema aislado. ¿Que no? Pues se rodea el entorno del entorno y santas pascuas. ¿Hay trampa? Exactamente la misma que permite decir que la energía se conserva: la energía sólo se conserva si las contamos todos. Si no se conserva es que se nos ha ‘olvidado’ contar una. Una matrioska.

Y, para finalizar, hablemos de los gradientes. Los jodidos gradientes. En eso, como de la exergía, se corre el riesgo de despeñar pronto. Gradiente es diferencia; gradiente es desequilibrio; gradiente es la perdición. Hay gradiente cuando dejamos enfriar la taza de té caliente. Otro día le explicaría qué significa eso. Pero el gradiente muere porque el equilibrio triunfa siempre. Sí, es otra de las consecuencias poderosas de esa idea que no he querido terminar de explicarle. Pero no, los sistemas alejados del equilibrio nunca son estables. Se refiere usted a estacionarios. Ambos (equilibrio y estacionario) dan idea de permanencia en el tiempo. Y así es. Pero con una diferencia: el equilibrio es un estado muerto, que perdura eternamente. El estacionario es un estado vivo que sólo permanece mientras haya algo que lo alimente. ¿Que alimente qué? Que alimente el gradiente. No voy a decirle que usted pueda ser un ejemplo de estacionario, tal vez. Me voy a referir a su coche funcionando estacionariamente, y con todos sus gradientes, a la velocidad constante de cien kilómetros a la hora. Mientras tenga combustible.