En 1834, Émile Clapeyron unificó las leyes experimentales de Boyle, Charles y Gay-Lussac en la ecuación única pV = nRT. Esta elegante fórmula describe el estado de equilibrio de un gas ideal, un modelo donde las moléculas se consideran puntuales y sin interacción entre sí. Funciona como un «conmutador» entre el volumen, la presión y la temperatura del gas, permitiendo predecir el comportamiento de los gases reales en condiciones ordinarias.
Historia
Los experimentos de Robert Boyle (1662) y Edme Mariotte mostraron la proporcionalidad inversa entre presión y volumen (pV=const a T constante). Jacques Charles (1787) y Joseph Louis Gay-Lussac (1802) establecieron la dependencia del volumen con la temperatura. Amedeo Avogadro en 1811 propuso la hipótesis de que volúmenes iguales de gases contienen igual número de moléculas en las mismas condiciones. Émile Clapeyron en 1834 unificó estas leyes en una sola ecuación, más tarde generalizada por Dmitri Mendeléyev al incluir la constante universal de los gases.
Cómo funciona
Se aplica ampliamente desde el cálculo de motores de combustión interna hasta el modelado de la atmósfera. Límites de aplicabilidad: no es válida a altas densidades y bajas temperaturas, cuando las interacciones intermoleculares y el tamaño finito de las moléculas se vuelven importantes; en esos casos se usan ecuaciones como la de Van der Waals con correcciones.
En la práctica
Desde inflar neumáticos hasta el pronóstico del tiempo: la relación entre presión, volumen y temperatura gobierna motores, aerostatos y la respiración.
Dato curioso
Si dejas una pelota al sol, se infla sola: no es magia, el aumento de temperatura incrementa la presión a volumen casi constante.
En la cámara oscura de la trampa, miles de partículas cargadas danzan bajo los campos eléctricos. Al principio se mueven libremente, como una multitud en una plaza, pero en cuanto se enfría la nube, la danza se ralentiza: los iones empiezan a sentirse entre sí, sus pasos se vuelven rígidos.
264 kilómetros por segundo: a esa velocidad el sistema solar atraviesa una nube de materia oscura. Su existencia fue delatada por las galaxia: giraban demasiado rápido para que la masa visible las mantuviera unidas, y Vera Rubin fue la primera en sospechar un armazón oculto.
Durante décadas, los modelos globales de la atmósfera eran como pintores obligados a trazar tormentas planetarias con pinceladas gruesas: la resolución de 25–100 kilómetros obligaba a «adivinar» la convección mediante esquemas aproximados, generando errores sistemáticos en los pronósticos de lluvia y…
A temperaturas de milmillonésimas de grado sobre el cero absoluto nace el condensado de Bose-Einstein: un estado donde miles de átomos marchan en una misma clave cuántica.
Una olla de agua siempre hierve igual: a cien grados, y salen burbujas. Con los líquidos cuánticos es distinto. Cuando una nube de átomos se enfría casi hasta el cero absoluto, puede convertirse en una única onda de materia: el condensado de Bose-Einstein.
El té en una taza se enfría tranquilamente sobre la mesa. Pero si pasas a toda velocidad cerca de la velocidad de la luz, el termómetro marcará más, aunque nadie haya calentado el té. Los cálculos lo confirman: la aguja subirá.
Hace cien años, los físicos estaban divididos en tres bandos.
Una gota de miel se extiende lentamente sobre la mesa; el agua, rápido. La resistencia al flujo, la viscosidad, es diferente para cada líquido. Pero, ¿y si la viscosidad cambia sobre la marcha, a medida que la sustancia se comprime o se expande?
Si echas arena en un vaso, se asienta en una capa uniforme. Pero en lugar de arena, tomemos partículas diminutas de gas: en un campo gravitatorio no solo caen, cada grano se desplaza por su trayectoria, choca con sus vecinas, y todo ese ajetreo genera presión. Añade los efectos de la relatividad y la imagen familiar cambia sutilmente.
Una diminuta cuenta de vidrio flota en un rayo láser como una mota de polvo en la luz del sol. A su alrededor hay un gas enrarecido: átomos de criptón, xenón y pesadas moléculas de hexafluoruro de azufre. Chocan contra la cuenta, y cada impacto le transmite un diminuto impulso, como un guisante lanzado contra una sábana tensa que la hace vibrar.
El plasma es un gas en el que los electrones se han separado de los átomos, y se comporta como una sopa de partículas cargadas. Para predecir cómo fluye y se calienta esa sopa, hay que saber cómo chocan las partículas e intercambian energía.
Los átomos en un gas se comportan como bolas de billar: vuelan, chocan y se dispersan en direcciones distintas. Solo que en lugar de bolas rígidas tienen un «abrigo» suave de fuerzas de atracción y repulsión. A distancias cortas, los átomos se repelen bruscamente; a distancias largas, se atraen ligeramente.
