¿Por qué se mueven las moléculas?

Es una pregunta que ha intrigado a científicos durante años. Detrás de esa aparente danza caótica se esconde un ballet coreografiado por las leyes fundamentales de la naturaleza y que es la esencia misma de la vida y la materia

Imaginemos que tenemos una ‘minicaja’ cuyo lado mide de 5 nanómetros, 5 000 millonésimas partes de un metro. Seguro que pensamos que eso es realmente es muy pequeño, pero para hacernos una idea de lo que realmente significa tengamos en cuenta este analogía: si todas las personas que viven en China tuvieran una caja como esa y, por orden del Partido, pusieran cada una de sus cajas una al lado de otra, la longitud total de esa fila de cajas sería de tan solo cinco metros.

Pues bien, en esa caja tan diminuta tenemos aire. Es normal, porque no hemos hecho en ningún momento el vacío. ¿Cuántas moléculas de aire –ya sea oxígeno, nitrógeno o cualquier otra molécula que encontremos en la atmósfera- vamos a encontrar dentro de ella? Seguro que piensas que unos cuantos cientos, o incluso miles. Pues no: en condiciones normales encontraremos solo seis, que serán, esencialmente, moléculas de oxígeno y nitrógeno.

El aire está prácticamente vacío

Esta es la primera sorpresa que nos llevamos: el aire es principalmente espacio vacío. La distancia media entre las moléculas del aire a tu alrededor es 10 veces su dimensión más larga. Para visualizarlo pensemos en la siguiente analogía: si las moléculas fueran un canario, la distancia media entre dos de ellos en una jaula debería ser de un metro.

Tengamos en cuenta las cantidades que estamos manejando: una cuchara de café contiene más de 1020 moléculas de aire (lo que significa un 1 seguido de 20 ceros). Esto es alrededor de 2 000 veces menos que el número de moléculas de agua que recogeríamos con esa misma cuchara.

Como podemos imaginar, en esa caja las moléculas no se van a estar quietas en un rinconcito, sino que se están moviendo constantemente. Incluso en la habitación más estanca, o en el balón de oxígeno del hospital más cercano, las moléculas están siempre en movimiento. Y muy rápido. Además, la velocidad media a la que lo hacen es proporcional a su temperatura.

Algo tenemos que tener muy en cuenta: no hay molécula o átomo en el universo que esté en reposo, parado, quieto. Eso no existe. Curiosamente el concepto de temperatura y la naturaleza del calor están conectados profundamente con el movimiento molecular y éste, a su vez, se encuentra extrañamente relacionado con la flecha del tiempo y la muerte del universo.

Un gas de moscas

Veamos una nueva analogía: un gas, cualquier gas, es similar a una nube de moscas. Cierto es que es una analogía peligrosa, pero podemos aprender de esos peligros. Primero de todo, las moscas pueden ver; normalmente no se chocan entre sí. Las moléculas son ciegas: en un gas están tropezándose unas con otras. Cada colisión cambia la velocidad y dirección de las moléculas involucradas en ella, por lo que las moléculas se parecen a un auto de choque.

Otra diferencia entre las moscas y las moléculas es que podemos pensar que las moléculas de nuestra caja se mueven dirección recta hasta que chocan con algo. Pero claro, las moscas tienen unas nada despreciables habilidades aeronáuticas, y en eso tampoco se parecen a las moléculas. Podríamos pensar que una mejor analogía sería una mosca mutante que fuera ciega, sorda y que volara en línea recta…, pero aun así nuestra analogía es engañosa, porque las moscas se cansan. A veces se relajan, y al final mueren y caen al suelo con las patas hacia arriba. Las moléculas no hacen eso; las moléculas en un balón de oxígeno nunca se paran.

La velocidad de las moléculas

¿Cómo de rápido se mueven las moléculas de un gas? Eso depende de dos cosas, la masa de la molécula y la temperatura del gas. Con todo, el asunto no es tan sencillo porque continuamente se encuentran cambiando su dirección y velocidad debido a que están chocando continuamente con otras moléculas. Por eso los científicos prefieren no hablar de su velocidad sino de su velocidad promedio. Cuando, por ejemplo, conduces el coche al trabajo, tu velocidad es de todo menos constante: tienes que parar en los semáforos, reducir la marcha cuando hay más tráfico… No obstante puedes definir una velocidad media usando únicamente dos observaciones: basta con dividir la distancia que hay de tu casa a la oficina por el tiempo que has tardado en llegar.

Las velocidades medias de las partículas se pueden medir experimentalmente y calcular teóricamente. Aquí tienes algunas velocidades promedio en kilómetros por hora para algunas moléculas si se encuentran a temperatura ambiente: el hidrógeno encerrado en un cilindro de acero como se tiene en los ensayos con hidrógeno verde, 6115 km/h, el helio en un dirigible, 4500 km/h, el oxígeno en un bonito día en cualquier playa de las islas Canarias, 1650 km/h, y el dióxido de carbono en un sifón de soda, 1335 km/h. Para hacernos una idea, comparémoslas con velocidades de otras cosas más familiares: el Concorde volaba a 2160 km/h, la velocidad de crucero un deportivo Lamborghini es de 290 km/h y el plusmarquista mundial Ben Johnson en las olimpiadas de 1988, 36,7 km/h.

Dependencia con la masa

Si miramos con cuidado las velocidades de las moléculas que hemos escogido teniendo en cuenta que la masa de las moléculas aumenta con la serie (la más ligera es la de hidrógeno y las más pesada la del dióxido de carbono), descubrimos cuál es la dependencia de la velocidad con la masa (podemos descartar el efecto de la temperatura porque todas están a temperatura ambiente): a mayor masa, la molécula se mueve más despacio. Eso sí, esa velocidad media es una cantidad constante: mientras el gas sea el mismo y esté en las mismas condiciones (como que la temperatura no cambie), su velocidad media ser igual hoy que dentro de 1000 años que hace 10 000 años.

¿Y cómo influye la temperatura en el movimiento de las moléculas? Como hemos dicho antes, si aumenta la temperatura, la velocidad hace lo propio. Así, la velocidad media para una molécula de oxígeno sube un 7% si subimos la temperatura de 0º a 40 ºC. No es nada espectacular, pero tienen sus implicaciones prácticas, y una de ellas es que nos ayuda a definir el concepto de temperatura: una medida de la agitación de moléculas y átomos.

Fuente: muyinteresante.es