Respuestas sorprendentes a preguntas cotidianas
23. ¿Cómo puede alguien caminar sobre ascuas sin quemarse?
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CAPÍTULO
23
¿Cómo puede alguien caminar sobre ascuas sin quemarse?
Hay una serie de trucos que cierta gente utiliza para intentar demostrar que tienen algún tipo de fortaleza mental o espiritual superior que, en el fondo, no son más que demostraciones más o menos extravagantes de principios físicos muy sencillos y que cualquiera puede realizar. Un ejemplo es el truco de la cama de clavos que he comentado en el capítulo 6, cuyo secreto es que el peso del cuerpo queda repartido por suficientes puntos como para que en ninguno de ellos ejerza suficiente fuerza sobre nuestra piel para atravesarla. ¿Doloroso? Tal vez. ¿Sobrenatural? Para nada. Otro ejemplo es la gente que se apoya lanzas sobre el cuello y las «dobla», pero esas lanzas no son tan mortales como las pintan, porque el mango está hecho de un material tan elástico que cede con mucha facilidad ante el peso de la persona y la punta no llega a presionar con suficiente fuerza como para hacer daño. ¿Molesto? No lo dudo. ¿Sobrenatural? Tampoco.
Y luego está la peña que camina sobre ascuas...
Eh, eh, eh, de esos no puedes decir nada, porque no hay ningún truco posible: nadie puede negar que las ascuas están lo bastante calientes como para quemar a una persona. Por tanto, si te paseas sobre ascuas y no te pasa nada, eso es que hay alguna fuerza sobrenatural implicada.
No necesariamente, voz cursiva. De hecho, no es más que otro truco que utiliza una propiedad física de la materia para llevar a cabo una «proeza» que impresiona mucho a primera vista, pero que, en realidad, es muchísimo menos peligrosa de lo que parece. En este caso, la clave está en que, igual que unos materiales conducen la electricidad mejor que otros, el calor también se transmite con más facilidad a través de ciertas sustancias.
Como he repetido varios millones de veces a lo largo del libro, la temperatura de un objeto no es más que un reflejo de lo rápido que se mueven o vibran sus átomos. Esto significa que, cuando una sustancia caliente entra en contacto con otra que está fría, el calor se transmitirá de la primera a la segunda a través de las colisiones entre sus partículas: cuando los átomos rápidos y calientes chocan con los fríos que se mueven más despacio, el empujón acelera los átomos fríos, e incrementa su temperatura, mientras que los átomos calientes perderán velocidad y se enfriarán. Y, como imaginarás, este proceso de transferencia de calor no se detendrá hasta que los átomos de los dos objetos hayan alcanzado una temperatura intermedia.
Cada una de las sustancias que nos rodea transmite su calor a otras o lo absorbe a un ritmo diferente, porque su conductividad térmica es distinta. Habrás notado este fenómeno en tus propias carnes si alguna vez te has bañado en una playa del Mediterráneo un soleado día primaveral, cuando la temperatura del aire y del agua es más o menos la misma: la sensación térmica es muy agradable mientras estás tumbado en la arena, pero en cuanto entras en el agua, parece que te hubieran teletransportado a las orillas de la Antártida. ¿Por qué diablos tenemos la sensación de que el agua está tan fría, si se encuentra a la misma temperatura que el aire? Porque su conductividad térmica es mucho mayor, así que «absorbe» el calor de nuestro cuerpo mucho más deprisa que el aire, aunque se encuentre a la misma temperatura.
Ya, claro, ¿y qué tiene que ver la velocidad a la que se transmite el calor con la temperatura que notamos? Si las dos cosas están a 15 ºC, no deberíamos sentir ninguna diferencia entre ambas.
Te equivocas, voz cursiva: incluso aunque dos sustancias se encuentren a la misma temperatura, nos puede dar la impresión de que una está más caliente que la otra precisamente porque nuestros cuerpos no detectan cuál es la temperatura de las cosas, sino su conductividad térmica, o, lo que es lo mismo, lo rápido o despacio que nos transmiten calor.
Si no me crees, te propongo un experimento: busca un objeto de madera o de papel y otro de metal, como un libro y un ordenador apagado con la carcasa de aluminio, o una caja de cartón y el marco metálico de un cuadro, eso da igual. Lo importante es que sean dos objetos que no se encuentren cerca de ninguna fuente de calor y estén a temperatura ambiente. En cuanto tengas estos objetos localizados, llega la parte más compleja del experimento: posa una mano sobre cada uno de ellos. Y, ahora, dime: ¿cuál te parece que está más frío?, ¿el objeto de madera o el de metal?
Diría que el de metal está más frío.
Exacto, voz cursiva, el metal parece más frío que la madera, aunque ambos están claramente a temperatura ambiente. Si, aun así, sigues sin creerte que los dos objetos están a la misma temperatura, puedes hacer dos cosas: comprobarlo con un fenómeno infrarrojo, o, si no tienes uno a mano, dejar los dos objetos en una habitación oscura durante unas horas para asegurarte de que los dos están a temperatura ambiente y repetir el experimento.
He hecho las dos pruebas y lo confirmo: la temperatura de las dos cosas es la misma, pero el metal sigue pareciendo más frío.
Sé que no puedes hacer el experimento porque no tienes cuerpo y que no han pasado varias horas, pero, de todas maneras, gracias por seguirme el rollo. El caso es que, igual que ocurre en el caso del agua y el aire, el motivo por el que nos da la impresión de que el metal está más frío que la madera es que el primero tiene una conductividad térmica mayor. Dicho de otra manera, los átomos de los metales se transmiten el movimiento entre sí con mucha más facilidad y, por tanto, «roban» calor a nuestro cuerpo mucho más deprisa cuando las moléculas más rápidas de nuestras manos calientes chocan con ellos. Como resultado, nuestro cuerpo interpreta que el metal está más frío que la madera, aunque realmente no lo esté.
Pues, mira, no lo entiendo. ¿Qué tipo de disparate evolutivo termina dotándonos de la capacidad para notar la conductividad térmica de las cosas, en lugar de su temperatura?
No es ningún disparate, voz cursiva: que la conductividad térmica tenga un papel tan importante en la percepción de la temperatura tiene mucho sentido, porque, desde el punto de vista evolutivo, lo que representa un peligro no es la temperatura en sí de un objeto, sino el ritmo al que transmite su calor a nuestro cuerpo o nos lo roba, que es lo que realmente determina cuánto tiempo tenemos para reaccionar antes de que resultemos heridos.
Por ejemplo, por poner una cifra al asunto, si solo percibiésemos la temperatura de las cosas, notaríamos la misma sensación térmica tanto si estuviéramos rodeados de agua a 5 ºC como de aire a la misma temperatura. En este escenario, si nos cayéramos en un lago así de frío, no notaríamos que nuestro cuerpo pierde calor a toda velocidad y probablemente acabaríamos pasando más tiempo de la cuenta en el agua, porque no tendríamos urgencia por salir, lo que incrementaría el riesgo de sufrir hipotermia. Pero como, por suerte, sí que percibimos la conductividad térmica de las cosas, nuestra reacción inmediata ante el frío intenso es volver a la orilla lo más rápido posible. En cambio, aunque el roce del aire a 5 ºC sobre nuestra piel no es agradable, no nos genera una respuesta tan precipitada porque no representa un peligro tan inmediato, ya que su conductividad térmica es mucho menor.
Para que te hagas una idea de la diferencia que supone estar sumergidos en agua o en aire frío en términos de tiempos de supervivencia, una persona desnuda a la intemperie, a una temperatura de 10 ºC, podrá sobrevivir más de veinticuatro horas (suponiendo que no esté soplando el viento, porque, como veremos en el siguiente capítulo, esa cifra se reduciría). En cambio, si esa misma persona desnuda estuviera nadando en una masa de agua a la misma temperatura, entonces moriría de hipotermia en un plazo de entre una y seis horas, ya que el agua reduciría su temperatura corporal mucho más deprisa debido a su mayor conductividad térmica. Si reducimos aún más la temperatura, una persona expuesta al aire a cero grados probablemente podría sobrevivir más de seis horas, pero tan solo duraría entre 15 y 45 minutos si estuviera sumergida en una masa de agua así de fría.
Un corrección: no te podrías «sumergir» en agua a cero grados, porque a esa temperatura estaría congelada.
No necesariamente, voz cursiva, ya que el agua puede mantenerse líquida por debajo de los cero grados si contiene sales disueltas. En cualquier caso, si tienes curiosidad por este tema, en las «Notas» dejo el enlace a una tabla en la que podrás comparar los tiempos de supervivencia esperados en el agua y en el aire a diferentes temperaturas.1
Pero, bueno, volviendo a lo que íbamos, la conductividad térmica es precisamente el fenómeno que permite a la gente realizar el «milagro» de caminar sobre ascuas de forma segura: las ascuas están muy calientes, pero, como no conducen muy bien el calor, transmiten su energía a nuestros pies a un ritmo lo bastante bajo como para que podamos pasar por encima... Siempre y cuando no permanezcamos un tiempo excesivo sobre ellas durante cada paso, claro.
Puedes decir lo que quieras, pero a mí no me convences hasta que me proporciones alguna cifra.
Tienes razón, voz cursiva. La conductividad térmica se cuantifica a través de la cantidad de energía que se transmite a través de una capa de un metro de espesor de un material determinado en el que, además, hay una diferencia de 1 ºC entre sus dos caras. Como resultado, la unidad que se utiliza para representar esta magnitud es el vatio por metro y grado (W/m ºC).
Por ejemplo, a 20 ºC, el aire tiene una conductividad térmica de 0,023 vatios por metro y grado, pero la del agua es unas 26 veces mayor y ronda los 0,60 vatios por metro y grado. Por poner un par de ejemplos más, la conductividad térmica de los diferentes tipos de acero oscila entre 43 y 58 vatios por metro y grado a 20 ºC, mientras que la del cobre y la plata, que conducen el calor aún mejor, son de 386 y 406 vatios por metro y grado, respectivamente.
¿Y en qué punto de esa escala caen las ascuas?
Pues imagino que este tipo de demostraciones se llevan a cabo con carbón vegetal, porque es más accesible que el mineral, pero no he conseguido encontrar cuál es la conductividad térmica de este tipo de carbón concreto cuando está incandescente. En cambio, sí que he podido encontrar datos del lignito, un tipo de carbón mineral que parece tener una pureza comparable al vegetal. A 700 ºC, la conductividad térmica del lignito ronda los 0,837 vatios por metro y grado Kelvin, así que su habilidad para transmitir el calor es un poco mejor que la del agua a 20 ºC.
¡Ajá! Pues entonces sí que es una proeza sobrenatural, porque una masa de agua a 700 ºC nos quemaría al instante..., si pudiera mantenerse en estado líquido a esa temperatura, obviamente.
No tan rápido, voz cursiva, porque hay que tener en cuenta que el carbón es un sólido. O sea, que, al contrario que el agua, la temperatura de un montón de ascuas no va a ser uniforme, ni se adherirán a nuestra piel como lo hace un líquido. De hecho, al ser fragmentos de material sólido, las ascuas solo entran en contacto con algunos puntos de la superficie de nuestros pies cada vez que damos un paso sobre ellas, por lo que la cantidad de calor que transmiten es mucho menor. O sea, que aunque caminar sobre ascuas es una buena demostración de un principio físico, no es ninguna proeza sobrehumana.
En realidad, lo verdaderamente milagroso sería que alguien consiguiera caminar sobre una plancha de acero a 700 ºC sin quemarse, pero, por supuesto, eso sería una locura, porque la conductividad térmica de este metal ronda entre los 21 y los 32 vatios por metro y grado a esa temperatura.2 Es más, si alguna vez has apoyado los antebrazos sobre una mesa metálica que ha estado al sol en pleno agosto en la terraza de un bar, sabrás que este «experimento» sería un peligro incluso aunque la plancha de acero se encontrara a «solo» 100 ºC (con una conductividad térmica de entre 12,5 y 58 vatios por metro y grado Kelvin). Y, si fuera de cobre o de plata, sería peor aún.
Eso sí, quiero dejar bien claro que esto no es un reto. Estos ejemplos tienen una finalidad puramente comparativa.
Vale, vale, si voy por la calle y veo una pasarela incandescente de plata, intentaré no pisarla sin zapatos. En cualquier caso, ¿qué es lo que hace que unos materiales tengan una mayor conductividad térmica que otros?
Buena pregunta, voz cursiva. Como la temperatura es el resultado de lo rápido que se mueven las moléculas, lo rápido que se transmite el calor a través de un material dependerá de la facilidad que tengan sus moléculas para «pasar» su movimiento de unas a otras. Por ejemplo, la conductividad térmica del aire es muy baja porque las moléculas de gas están muy separadas, de modo que, si una molécula del aire se calienta porque choca con un átomo que se mueve muy deprisa, le costará transmitir ese calor a las que la rodean, porque la probabilidad de que choque con alguna será bastante baja. La conductividad térmica de los líquidos es más alta que la de los gases, porque sus moléculas están mucho más cerca unas de otras, al haber menos espacio entre ellas, y el movimiento se transmite entre ellas con una facilidad mucho mayor. Este es el motivo por el que el agua líquida tiene una conductividad térmica mucho mayor que el vapor de agua, pese a que, en los dos casos, estamos hablando de la misma sustancia.
E imagino que la conductividad térmica de los sólidos es aún más alta que la de los líquidos, ¿no?
Efectivamente, voz cursiva: como los átomos de un sólido están anclados formando una estructura rígida, cualquier colisión que tenga lugar contra uno de esos átomos se transmitirá rápidamente a sus vecinos, y su temperatura se incrementará mucho más deprisa.
Además, la conductividad térmica de un sólido aumenta cuanto mayor es la «rigidez» de los enlaces que unen sus átomos, ya que, cuanto mayor sea la fuerza que los une, más rápido se podrá transmitir el movimiento de uno a otro. Teniendo esto en cuenta, no es de extrañar que el material que tiene una mayor conductividad térmica, el diamante (1.200 vatios por metro y grado), sea también el más duro, porque el origen de estas dos propiedades se encuentra en la fuerza extrema con la que están unidos sus átomos de carbono.
Curiosamente, la conductividad térmica se puede utilizar para comprobar si un supuesto diamante es auténtico o no, porque, por muy bien lograda que esté una gema de imitación, no podrá replicar esta propiedad que es exclusiva de la composición química de los diamantes. Es más, como, debido a su alta conductividad térmica, un diamante auténtico estará mucho más frío al tacto que uno de imitación, se dice que hay joyeros muy experimentados que pueden distinguir uno de otro notando la sensación térmica que les proporciona al ponérselo sobre la punta de la lengua.
¿Estás seguro de que eso es verdad? Porque a mí me suena un poco a Hollywood.
Pues, sinceramente, no he podido encontrar ninguna fuente fiable en la que se verifique esta historia, pero parece encajar con el hecho de que en algunos lugares de habla inglesa se refieren al diamante como ice («hielo»). Pero, sea cierta o no, la verdad es que un diamante siempre se notará al menos un poco más frío al tacto que cualquier otro material que se encuentre a la misma temperatura, de modo que me parece un ejemplo curioso de cómo es posible distinguir dos materiales que son muy parecidos visualmente gracias a las propiedades que le otorgan su composición química y su estructura atómica.
Por cierto, hablando de ponerse en la lengua materiales que tienen buena conductividad térmica, ¿alguna vez se te ha ocurrido lamer un poste de metal muy frío en invierno, voz cursiva?
No tengo cuerpo, pero reconozco que es algo que siempre he querido probar.
Yo tampoco he tenido la ocasión, pero, si lo hicieras, correrías el riesgo de que tu lengua se quedara pegada al poste, porque gracias a su alta conductividad térmica, el metal absorbe rápidamente el calor del agua que cubre nuestra lengua y la congela enseguida, cementando nuestras papilas gustativas sobre la superficie del poste. En este caso, el motivo por el que los metales suelen ser buenos conductores del calor es el mismo por el que lo son de la electricidad: además de estar hechos de una red de átomos muy juntos, unidos por enlaces fuertes, los metales cuentan con electrones libres que se pueden mover a través de su estructura con relativa libertad y transmitir su movimiento a sus vecinos fácilmente.
Por supuesto, si algún día te encuentras en esta lamentable situación, no intentes separar la lengua del poste a la fuerza, porque lo único que conseguirías es que tus papilas gustativas se queden pegadas al poste de metal como quien desabrocha una tira de velcro. En su lugar, echa agua fría sobre el punto de contacto hasta que el hielo se funda y puedas separarla.
Qué analogía con el velcro más innecesaria. Por cierto, has estado hablando sobre los materiales con conductividades térmicas altas, pero ¿qué hay de los que tienen una conductividad muy baja? ¿Hay alguno que sea capaz de frenar por completo el paso del calor?
De nuevo, buena pregunta, voz cursiva. Hemos visto que la conductividad térmica es una propiedad que determina lo rápido que el calor se puede transmitir a través de un material, y que ese calor pasa de una molécula a otra a través de sus choques. Sabiendo esto, ¿en qué situación crees que el calor lo tendrá más difícil para propagarse a través de un medio?
Humm... No sé. ¿En nuestra imaginación?
No, voz cursiva, en el vacío. Como en el vacío no hay materia, el calor no se puede transmitir de un lado a otro a través de las colisiones entre moléculas. De hecho, ese es precisamente el motivo por el que los recipientes que están diseñados para retener el calor durante mucho tiempo suelen tener paredes separadas por una capa de vacío: la ausencia de moléculas de aire que choquen con sus paredes internas reduce muchísimo el ritmo al que la sustancia que contiene transfiere su calor al entorno.
Ya, bueno, pero incluso el café más caliente se acabará enfriando dentro del mejor termo del mercado si le das tiempo suficiente. ¿Cómo es que estos recipientes disipan el calor de la sustancia que contienen, si entre sus dos capas no hay moléculas de aire que lo puedan transmitir al exterior?
Porque, aunque un objeto que se encuentra en el vacío no pueda transmitir el calor a su entorno a través de colisiones entre moléculas, sí lo hace en forma de radiación electromagnética. Pero no te preocupes, voz cursiva, que de este proceso hablaré con más detalle en el último capítulo.
OK, creo que podré esperar. Pero si el vacío conduce tan mal el calor, ¿por qué no lo usamos como aislante térmico en todas las aplicaciones de nuestra vida diaria?
Como he comentado cuando hablábamos sobre el trágico destino de los globos de helio, un recipiente vacío tiene que soportar el esfuerzo compresivo que ejerce sobre él la atmósfera. Por tanto, dadas las complicaciones ingenieriles que eso supone, en la mayor parte de las aplicaciones de nuestra vida diaria se utiliza aire como material aislante, ya que presenta una conductividad térmica lo bastante baja como para que sea la solución más fácil y barata. ¿Qué hay entre las paredes de los edificios? Aire. ¿Entre los cristales de las ventanas dobles? Más aire. ¿Por qué las chaquetas de invierno son tan abrigadas? Porque están rellenas de materiales que retienen un montón de aire entre sus fibras.
Ahora que lo dices, ya que hemos estado hablando de la sensación térmica y del agua, y has sacado el tema de los abrigos, me ha surgido una duda.
Me quieres preguntar por qué hace más frío o más calor cuando hay mucha humedad, ¿verdad?
Pues sí. ¿Cómo lo sabías?
Porque te conozco como si estuvieras dentro de mi cabeza.