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LA TEORÍA CINÉTICA DE LA MATERIA

¿Será posible explicar los fenómenos calóricos en función del movimiento de partículas cuyas interacciones responden a fuerzas simples? Supongamos que cierta masa de gas, aire por ejemplo, esté contenida en un recipiente cerrado a una temperatura determinada. Al calentarlo elevamos su temperatura aumentando, en consecuencia, su energía. Pero ¿cómo estará relacionado el calor con el movimiento? La posibilidad de tal conexión nos es sugerida por la concepción filosófica que acabamos de aceptar a título de ensayo y teniendo en cuenta que el calor puede ser engendrado por el movimiento El calor tiene que ser energía mecánica si todo problema es de naturaleza mecánica. El objeto de la teoría cinética es interpretar la materia precisamente de este modo. De acuerdo con ella, un gas es un agregado de un enorme número de partículas o moléculas, moviéndose en todas direcciones, chocando entre sí y cambiando dirección en cada colisión. Así como en una gran comunidad humana existe una edad o una riqueza medía, así debe existir entre las moléculas una velocidad media. Habrá, pues, una energía cinética media por partícula. Aumentar la cantidad de calor en el recipiente significa el aumento de la energía cinética media. Luego, de acuerdo con esta concepción, el calor no es una forma especial de la energía distinta de la mecánica, sino, precisamente, la energía cinética movimiento molecular. A una temperatura dada corresponde u energía cinética media por molécula bien definida. Esta no es, verdad, una suposición arbitraria. Si queremos idear una imagen la materia coherente con el punto de vista mecánico, estamos c gados a considerar la energía cinética molecular como una me de la temperatura. Esta teoría es algo más que un juego de la imaginación. Se puede demostrar que la teoría cinética de los gases no sólo está acuerdo con la experiencia, sino que conduce efectivamente al entendimiento más profundo de los hechos observados. Ilustremos lo con algunos ejemplos. Imaginemos un recipiente cerrado por un pistón que se puede desplazar libremente. Contiene cierta cantidad de gas que se mantiene a temperatura constante. Si el pistón está inicialmente en reposo en cierta posición, se elevará si disminuimos su peso, y descenderá si lo aumentamos. Es decir, para hacer bajar el pistón se ejercer una cierta fuerza contra la presión interna del gas. ¿En que consiste el mecanismo de esta presión interna según la teoría cinética? Un número enorme de las partículas que constituyen el gas se mueven en todas direcciones y bombardean las paredes del recipiente y el pistón, rebotando como pelotas en una pared rígida. Este bombardeo continuo sostiene el pistón a una cierta altura, oponiéndose a la fuerza de gravedad que actúa hacia abajo sobre el pistón las pesas. En un sentido tenemos, pues, la fuerza de la gravedad en el opuesto muchos golpecitos irregulares de las moléculas; si ha de haber equilibrio, el efecto resultante, sobre el pistón de y todas esas pequeñas e irregulares fuerzas de choque, tiene que ser igual la fuerza de la gravedad. (Ver fig. 22.) Supongamos que el pistón sea desplazado hacia abajo, comprimiendo el gas a una fracción de su volumen primitivo; a la mitad, pongamos por caso, manteniéndose constante su temperatura ¿Qué sucederá, de acuerdo con la teoría cinética? La fuerza procedente del bombardeo mo lecular ¿será más o menos intensa que antes de la compresión? Aunque la energía cinética media de las partículas no ha variado (temperatura constante), ha aumentado la frecuencia de sus colisiones con el pistón a causa de la reducción de volumen, y en consecuencia, la fuerza resultante debe haber aumentado. De acuerdo con esta imagen, derivada de la teoría cinética, resulta obvio que para mantener el pistón en una posición inferior se requiera un peso mayor y recíprocamente. Este senc illo hecho experimental es bien conocido, pero su predicción es una consecuencia lógica de la teoría cinética de la materia. Tomemos ahora dos recipientes que contengan volúmenes iguales de gases diferentes, por ejemplo, hidrógeno y oxígeno, a una misma temperatura. Supongamos que estos recipientes estén cerrados por pistones idénticos, sobre los cuales haya pesas iguales. Esto. significa que ambos gases tienen volumen, temperatura y presión iguales. Si la temperatura es la misma, también lo será, según la teoría, la energía cinética media por partícula. Como la presión es igual, ambos pistones son bombardeados con una fuerza resultante igual. En término medio, cada molécula posee la misma energía y ambos recipientes tienen igual volumen. Luego el número de moléculas, tiene que ser el mismo, aun cuando los gases sean químicamente distintos. Este resultado es muy importante para la comprensión de muchos fenómenos químicos. Expresa que el número de moléculas contenidas en un volumen dado, a cierta temperatura y Presión, es independiente de la naturaleza del gas. Y es asombroso que la teoría cinética no sólo predice este número universal, sino que permite determinarlo. Sobre este punto volveremos pronto. 1_a teoría cinética de la materia explica, tanto cuantitativa como cualitativamente, las leyes de los gases descubiertas experimentalmente. Además, la teoría no está restringida a los gases, aunque sus mayores triunfos se dieran en este dominio. Un gas puede licuarse por un descenso de su temperatura. Bajarla significa una disminución de la energía cinética media de sus moléculas. Resulta claro, por eso, que la energía media de una partícula de líquido es menor que la correspondiente a una partícula de gas. El descubrimiento del movimiento browniano fue la primera manifestación del movimiento de las partículas suspendidas en un líquido; este fenómeno, en sí notable y llamativo, hubiera permanecido completamente misterioso e incomprensible si no fuera por la teoría cinética. Lo observó por primera vez el botánico Brown y fue explicado ochenta años después, a principios de este siglo. El único instrumento necesario para observar el movimiento browniano es un microscopio, que ni siquiera hace falta que sea particularmente bueno. Brown trabajaba con granos de polen de ciertas plantas, esto es, «Partículas o granos de un tamaño que varía entre un cuarto y un quinto de milésima de pulgada.» Brown continúa, más adela nte: «Mientras examinaba la forma de esas partículas en el agua, observé que muchas de ellas estaban evidentemente en movimiento… Después de observaciones repetidas frecuentemente, me convencí de que estos movimientos no procedían de corrientes en el líquido ni de su evaporación gradual, sino que eran algo propio de las mismas partículas.» Lo que Brown vio es la agitación incesante de los gránulos suspendidos en el agua, que el microscopio hace visible. ¡Espectáculo admirable? ¿Será esencial, para el fenómeno, el empleo de gránulos de determinadas plantas? Brown contestó a esta pregunta repitiendo el experimento con muchas plantas diferentes y encontró que todos los gránulos, si son suficientemente pequeños, tienen tal movimiento cuando están suspendidos en el agua. Además, halló el mismo movimiento permanente e irregular, tanto en partículas inorgánicas como en las orgánicas muy pequeñas. ¡Hasta con un fragmento pulverizado de esfinge observó el mismo fenómeno! ¿Cómo se explicará este fenómeno? Parece contradecir toda experiencia anterior. Examinando cada treinta segundos, por ejemplo, la posición de una partícula suspendida se obtiene la forma fantástica de su trayectoria. Lo pasmoso del fenómeno es el carácter, al parecer eterno, del movimiento. Un péndulo oscilante en el agua llega al reposo muy rápidamente si no obra sobre él una fuerza exterior. La existencia de un movimiento incesante parece contraria a toda experiencia. La teoría cinética de la materia logró vencer brillantemente esta dificultad. Ni con el más potente de los microscopios se pueden ver las moléculas y sus movimientos tal como los describe la teoría cinética. Se debe admitir en conclusión, que si la teoría que considera el agua como un agregado de partículas es correcta, el tamaño de estas partículas debe estar por debajo del límite de visibilidad de los mejores microscopios. Aceptemos, sin embargo, la teoría y supongamos que represente una imagen consistente de la realidad. En este caso se explica el movimiento browniano de la siguiente manera: las partículas, visibles a través del microscopio, son bombardeadas por las mucho más pequeñas que componen el agua. El movimiento browniano se produce si los gránulos bombardeados son por otra parte suficientemente pequeños y se da porque la intensidad de este bombardeo no es la misma en todas direcciones y no puede ser promediado a causa de su carácter irregular y fortuito. El movimiento observado es, pues, el resultado de otro inobservable. El comportamiento de las partículas grandes refleja, en cierto sentido, el de las moléculas, constituyendo, por así decirlo, una amplificación tan grande que permite su observación con el microscopio. La naturaleza casual e irregular de las trayectorias de los gránulos de Brown refleja irregularidades similares en las trayectorias de las moléculas que constituyen la materia. Se entiende, por eso, que un estudio cuantitativo del movimiento browniano nos puede proporcionar un conocimiento más profundo de la teoría cinética. Es evidente que el movimiento browniano, visible, depende del tamaño de las invisibles moléculas bombardeantes. Este movimiento no tendría existencia si las moléculas no poseyeran cie rta energía, o en otras palabras, si no tuvieran masa y velocidad. Que el estudio del movimiento browniano pueda conducir a la determinación de la masa de las moléculas no es, por lo tanto, tan sorprendente. La teoría cinética pudo formularse cuantitativamente después de laboriosas investigaciones teóricas y experimentales. La pista que se descubrió en el movimiento browniano fue una de las que proporcionaron datos cuantitativos. Los mismos resultados pueden obtenerse por diferentes caminos, que arrancan de claves completamente distintas. El hecho de que todos estos métodos confirmen el mismo punto de vista es muy importante, porque demuestra la coherencia interna de la teoría cinética de la materia. Sólo citaremos aquí uno de los múltiples resultados cuantitativos alcanzados por la teoría y el experimento. Es muy probable que nos preguntemos: ¿Cuántas partículas contiene un gramo de hidrógeno? La respuesta corresponderá no sólo al hidrógeno sino también a todos los gases, pues ya sabemos que bajo ciertas condiciones dos gases tienen el mismo número de moléculas. La teoría nos permite responder a la pregunta basándonos en ciertas medidas del movimiento browniano de un gránulo suspendido. La respuesta es un número inmensamente grande: ¡un tres seguido de veintitrés ceros! El número de moléculas en un gramo de hidrógeno es: 300.000.000.000.000.000.000.000 Imaginemos las moléculas de un gramo de hidrógeno tan aumentadas que se hagan visibles al microscopio; por ejemplo, que su diámetro sea una décima, o sea del tamaño de una partícula browniana. Entonces, para empaquetarlas tendríamos que usar un cubo de medio kilómetro de lado! Se puede calcular fácilmente la masa de una de las moléculas de hidrógeno dividiendo 1 por el número dado arriba. El resultado es el siguiente valor, fantásticamente minúsculo: 0,000.000.000.000.000.000.000.0033 gramos Las investigaciones sobre el movimiento browniano son solamente algunos de los múltiples experimentos que conducen a la determinación de este número, que desempeña un papel tan preponderante en la física. En la teoría cinética de la materia y en todas sus importantes adquisiciones, se ve la realización del programa filosófico general, a saber: reducir la explicación de todos los fenómenos de la naturaleza a la interacción de partículas materiales.

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