A raíz del post anterior, un lector me preguntó si podía aclarar cómo se podía fundamentar el funcionamiento de una máquina térmica partiendo de la ley de Charles, tal y como acabé aquellas líneas. Voy a tratar de explicarlo, para luego acabar con una serie de cuestiones que me rondan la cabeza, dejándolas planteadas. Habíamos visto allí que la ley de Charles vinculaba las variaciones de temperatura y volumen de un gas en condiciones isobáricas (de presión constante), y dijimos que nos podía servir muy bien para comprender el funcionamiento de una máquina térmica. ¿Cómo puede ser eso? ¿A qué se debe? Para aproximarnos a ello, vamos a recordar esta ley, para detenernos a analizar con detalle qué ocurre con dichas magnitudes cuando pasamos del primer estado al segundo.
Lo que dice la ley de Charles es que, en un gas sometido a una presión constante, su volumen y temperatura son directamente proporcionales: V / T = k. Es decir, partiendo de un estado inicial a una presión determinada, cualquier variación de temperatura implica una variación proporcional de volumen, siempre que no cambie la presión a que está sometido; y viceversa. ¿Cuándo ocurre esto? O ¿cómo lo podemos llevar a la práctica? Fijémonos en el ejemplo de un recipiente cilíndrico que contiene un gas, y que está tapado (para que el gas no escape) con una tapa dejada caer sobre él.
Partimos de un primer estado en el que tenemos en dicho recipiente cilíndrico un gas, que ocupa un determinado volumen y se encuentra a una determinada temperatura, tapado por una chapa circular. ¿A qué presión está sometido el gas? Partimos de que la tapa metálica, de cierto peso, está dejada caer sobre el gas; por su propio peso, someterá a una presion al gas (que se obtiene dividiendo su peso por la superficie de la tapa), presión a la que habrá que añadir la presión atmosférica. Así que podemos decir que la presión a la que está sometido el gas es la suma de ambas: P = Ptapa + Patm. Para lo que sigue, poco importan los valores numéricos. Tan sólo, imaginemos que se trata de una tapa pesada que, dejada caer, efectivamente ejerce cierta presión sobre el gas.
El segundo estado se adquiere al subir la temperatura del gas, calentando el recipiente. En este caso, según la ley de Charles el gas tenderá a expandirse, y lo hará por donde le sea más sencillo: como no puede romper las paredes del cilindro (en principio) se expandirá hacia arriba, empujando la tapa, pues recordemos que ésta sólo estaba dejada caer, con lo cual puede subir y bajar (sin dejar que se escape el gas). Vemos cómo la temperatura ha aumentado, y también el volumen; lo único que no ha variado, tal y como habíamos establecido, es la presión, que sigue siendo la misma, pues la tapa sigue pesando lo mismo (y ejerciendo la misma presión) y la presión atmosférica tampoco ha cambiado.
¿Qué es lo que ha pasado aquí? Pues una cosa muy interesante, como es que el gas calentado ha subido la tapa; es decir, el gas ha realizado un trabajo, el trabajo necesario para subir la tapa una determinada altura. Exactamente el mismo trabajo que deberíamos haber hecho cualquiera de nosotros para elevar la tapa con nuestros brazos esa misma altura. Desde una perspectiva más técnica, lo que ha ocurrido es que la energía calorífica que ha recibido el gas se ha transformado, en este caso, en energía potencial de la tapa: al estar más elevada, posee una energía potencial mayor, para lo cual ha sido necesario un trabajo.
Muy bien podemos poner encima de la tapa cualquier objeto, y ascendería con ella: tendríamos una especie de elevador. E incluso, si es lo suficientemente grande, podríamos subir nosotros junto con ella. Así, si un día no tenemos muchas ganas de trabajar y hemos de elevar algunos utensilios, con un dispositivo así, y con una buena fuente de calor o fuente térmica, podemos realizar dicha tarea. Pero también podemos aprovecharnos de esto en otro sentido. Me refiero a que, una vez subida la tapa a una determinada altura, la energía potencial que ha adquirido la podemos emplear para otra cosa. Por ejemplo, la podemos dejar caer, para que golpee algo, o para que mueva algún engranaje, o para lo que sea. Imaginemos la fuerza que puede ejercer una elemento metálico pesado y dejado caer desde una altura considerable. ¡No me gustaría estar debajo!
En fin, esto no es otra cosa que una máquina térmica, una máquina capaz de intercambiar diferentes tipos de energía entre sí; puede cambiar energía calorífica en energía potencial, como en este caso, pero, sofisticándola, puede realizar muchas más cosas (mover un tren, por ejemplo). Aunque para ello hace falta algo más, y es diseñar esa máquina para que pueda realizar este proceso repetitivamente, es decir, que la máquina pueda realizar una sucesión de ciclos en virtud de los cuales podamos aprovecharla para cualquier uso que nos interese (como mover una rueda, como decía).
También hay un asunto que no quería dejar de comentar, como es que me parece interesante reflexionar sobre el concepto de energía. Hay distintos modos de energía (calorífica, potencial, cinética, electromagnética), y todas ellas coinciden en una cosa, a mi modo de ver: en que son capaces de generar un trabajo, sea el que sea. Un cuerpo con mucha energía puede realizar mucho trabajo, y al revés. Pero ¿qué es exactamente la energía?, ¿hay una naturaleza común que subyazca a todas las formas en que se presenta en la naturaleza? Hemos visto que la energía calorífica se puede transformar en potencial, pero ¿qué parentesco hay entre ellas, consideradas en sí mismas? Para pensar.
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