Bibliografía Índice onomástico






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CAPÍTULO III
Un poco de física y química
Lo que mueve al mundo
Quizá la característica más destacada de la materia en el Universo es que se mueve. Las galaxias se están dispersando a gran velocidad desde el momento inicial del Big Bang. Los planetas giran alrededor de las estrellas o de otros planetas. Los cometas van y vienen. La Tierra rota sobre sí misma. Los océanos sufren el vaivén de las mareas, están surcados por grandes corrientes y su superficie se agita en olas. Los ríos fluyen y el viento sopla. Los continentes se desplazan, se reúnen o se separan, a lo largo de millones de años. Las moléculas se agitan incansablemente y, en su seno, los electrones no se detienen nunca.

Tampoco los seres vivos permanecen quietos. Los animales se persiguen, buscan comida, pareja, cobijo... En sus entrañas, los corazones bombean ríos de sangre, branquias y pulmones hacen correr el agua o el aire, el alimento es empujado a lo largo de sus tubos digestivos. Ninguno de sus órganos está parado. Ni siquiera las plantas conocen el reposo. Sus tallos y ramas crecen constantemente, sus hojas giran buscando la luz, las flores se abren y cierran, y en su interior la savia corre continuamente. Los microorganismos bullen, repitiendo a escala minúscula el ajetreo de la vida macroscópica. También la vida implica movimiento. La muerte no es sino el fin del movimiento: el descanso eterno.

¿Qué es lo que mantiene activo este frenesí universal? La respuesta es simple y, a la vez, muy complicada: la energía. La energía es lo que mueve al mundo. Pero ¿qué es, exactamente, la energía? La física define la energía como la capacidad de imprimir una aceleración a una masa a lo largo de un espacio. 0 dicho en términos más simples: la energía es la capacidad de mover o de cambiar el movimiento de las cosas. Pero esta definición no nos lleva mucho más lejos de lo que ya sabíamos: que la energía es lo que mueve al mundo. Lo cierto es que aunque no podamos ofrecer una definición más satisfactoria de la energía, al menos sí que conocemos bien algunas de sus propiedades y manifestaciones.

La energía se nos presenta de muy diversas maneras: como energía mecánica, calor, energía luminosa, energía eléctrica, energía nuclear, energía química, etc. Aunque puedan parecer fenómenos muy distintos, todas las formas de energía están estrechamente relacionadas entre sí y pueden transformarse unas en otras. Para entender esta interrelación entre las distintas energías merece la pena que nos detengamos en la más fácil de comprender de todas ellas, la energía mecánica, que puede presentarse de dos maneras: como energía cinética o como energía potencial.

La energía cinética es la energía asociada al movimiento de la materia. O dicho de otro modo, la capacidad que tiene cualquier cuerpo que se desplace para mover, o deformar, a otro cuerpo con el que choque. El concepto de energía cinética está maravillosamente expresado en un viejo chiste, según el cual un soldado comentaba: «A mí no me dan miedo las balas, sino la velocidad que llevan.» No le faltaba razón al pusilánime guerrero: la energía cinética contenida en un cuerpo cualquiera al desplazarse es directamente proporcional al cuadrado de su velocidad.

La energía potencial de un cuerpo es su capacidad para adquirir energía cinética debido a su posición en un campo de fuerzas. En el caso del campo gravitatorio, esa posición es la altura a la que está situado el cuerpo. Es evidente que los objetos situados a más altura alcanzan mayor velocidad, al dejarlos caer, que los que están más bajos. También el concepto de energía potencial está recogido por la sabiduría popular: «Cuanto más alto, más dura será la caída.»

Detengámonos a observar los coches que circulan por nuestras calles. Todos tienen energía cinética debido a su movimiento. Y esto es fácil de comprobar, bastaría con que nos interpusiéramos en el camino de cualquiera de ellos. Entonces nos transmitirían una parte de su energía cinética, lanzándonos por los aires y deformando (rompiendo) nuestro cuerpo. Siguiendo con nuestra observación, nos enfrentaremos a un misterio: ¿qué ocurre cuando un coche frena y se detiene, a dónde ha ido a parar su energía cinética? La física nos asegura, en el Primer Principio de la Termodinámica, que la energía ni se crea ni se destruye sino que se transforma. Así pues, ¿en qué clase de energía se ha transformado la energía del movimiento del automóvil cuando éste se detuvo? La respuesta es que en calor. Los frenos del coche, los neumáticos, y el propio asfalto han aumentado su temperatura como resultado de la fricción que ha detenido al coche.

En realidad, el calor también es energía cinética. Las moléculas que componen los cuerpos no están paradas sino que se agitan continuamente. Si el cuerpo es gaseoso, sus moléculas se desplazan libremente, si es líquido lo hacen con mayor dificultad, y si está en estado sólido se limitan a vibrar; pero no se están quietas. La temperatura de un cuerpo no es otra cosa que la suma del movimiento de sus moléculas. Si el cuerpo (gas, líquido o sólido) está muy caliente, sus moléculas se mueven (o vibran) muy deprisa, y si el cuerpo está frío, sus moléculas se mueven más lentamente. De modo que la energía cinética del coche se convirtió, al frenar, en energía cinética de las moléculas de los frenos, los neumáticos y el asfalto.

Si tenemos la suficiente paciencia y continuamos observando al automóvil que se detuvo, tendremos ocasión de enfrentarnos a otro enigma: llegado el momento, el coche vuelve a ponerse en marcha, adquiriendo de nuevo energía cinética. Puesto que ya hemos dejado sentado que la energía no se crea ¿de dónde ha obtenido el vehículo la energía necesaria para volver a moverse? La respuesta nos la puede facilitar cualquier niño: del combustible. La propia palabra nos ofrece una pista sobre la naturaleza de la energía que mueve al coche. Combustible quiere decir que puede hacer combustión, es decir quemarse. Y cuando se produce una combustión se libera una gran cantidad de energía. Esto tampoco es difícil de comprobar, basta con quemar un papel, su combustión produce calor y luz.

A la energía que se esconde en la materia combustible se la conoce como energía química y volveremos sobre ella más adelante.

En cualquier caso, una parte de la energía química del combustible es transformada en energía mecánica (o sea, en movimiento) en el motor del coche, y otra parte se convierte en calor, que hace aumentar tanto la temperatura del motor que obliga a refrigerarlo continuamente. A su vez, la energía mecánica generada en el motor sirve para mover las ruedas del automóvil y ponerlo en movimiento, y también para hacer girar una dinamo y producir energía eléctrica, que en los faros se convierte en luz.

Recapitulemos. La energía primaria del coche es la energía química del combustible. Esta energía acaba siendo transformada en energía cinética, calor, energía eléctrica y energía luminosa. Pero aún queda una pregunta que debemos responder: ¿cuál es el origen de la energía química del combustible? La respuesta no es otra que la luz solar. El cómo la energía de la luz del Sol ha ido a parar a los depósitos de carburante de nuestros vehículos es una historia sorprendente, en la que los seres vivos son los protagonistas. Historia que se torna en asombrosa si tenemos en cuenta que también la luz solar es la que alimenta a casi todos los seres vivos del planeta. Pero para poder comprender el misterio, y maravillarnos con él, aún es necesario que conozcamos mejor algunas cuestiones físicas y químicas.

El Universo en nuestra contra
Aunque, como hemos visto, la energía puede presentarse de muy diversas formas y es posible transformar unas en otras, no debemos pensar que todos los tipos de energía son iguales. Utilizando la jerga técnica, podemos distinguir entre formas de energía de alta calidad y formas de energía de baja calidad.

Para ayudarnos a entender la diferencia entre ambas nos vamos a permitir una licencia con el rigor científico para plantear una analogía entre el concepto de energía y el de valor económico. El diccionario de la Real Academia define el valor económico de un objeto como «cualidad de las cosas, en virtud de la cual se da por poseerlas cierta cantidad de dinero o equivalente». O dicho de otro modo: el valor de una cosa es su capacidad de proporcionar a su poseedor cierta cantidad de dinero o equivalente. Si recordamos que la energía también es una capacidad, la de imprimir movimiento a la materia, veremos que ambos conceptos, valor económico y energía, tienen mucho en común.

Siguiendo con la analogía, es evidente que también el valor económico puede presentarse en forma de distintos objetos valiosos, como dinero, valores bursátiles, bienes muebles, inmuebles, etc. Y, como ocurría con las formas de energía, los diferentes objetos valiosos también pueden intercambiarse entre sí. Uno puede tener su capital en acciones, en billetes, en lingotes de oro, en diamantes, en pisos... y cambiar de unos a otros. Pues bien, también aquí podríamos distinguir entre objetos valiosos de alta calidad y objetos valiosos de baja calidad. Los de alta calidad son aquellos que pueden ser convertidos en dinero (o equivalente) de manera eficiente, mientras que los de baja calidad no permiten recuperar de manera eficaz el capital (o equivalente) invertidos en ellos. No somos expertos en economía, pero el oro suele considerarse como un objeto valioso de alta calidad, mientras que los mondadientes no parecen una inversión muy acertada. Aunque el oro y los mondadientes que pueden adquirirse por un millón de pesetas tienen, en origen, el mismo valor, el oro mantiene su capacidad de ser convertido con facilidad en un millón de pesetas, o su equivalente, mientras que en el caso de los mondadientes eso es mucho más dudoso. En el caso del oro, el valor permanece concentrado, mientras que al invertir en mondadientes hemos disipado el valor del millón de pesetas.

Ésta es la clave para entender el concepto de formas de energía de alta y baja calidad. En las primeras, la capacidad de generar movimiento permanece concentrada, mientras que en las segundas, dicha capacidad se disipa y no es aprovechable. En el ejemplo del automóvil, el combustible es una forma de energía de alta calidad, muy aprovechable para producir movimiento, u otra forma de energía, mientras que el calor generado por la fricción del frenazo es una forma de energía de baja calidad, poco aprovechable para producir movimiento (u otra forma de energía). Al generar calor, la energía cinética del automóvil se disipó al aumentar un poco la energía cinética de muchas moléculas de los frenos, los neumáticos y el asfalto. El oro se invirtió en una ingente cantidad de mondadientes.

Fue el científico francés Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796 1832) quien descubrió que el calor es una forma degradada de energía, ya que es imposible convertir en movimiento (técnicamente en trabajo) todo el calor generado en cualquier proceso. Esto quiere decir que no es posible recuperar en forma de movimiento, o de otra forma de energía, la totalidad de la energía invertida en calentar un cuerpo. De este modo, el calor puede considerarse como una especie de sumidero para las demás formas de energía.

A partir de este sorprendente descubrimiento, que existe una forma de energía degradada, el calor, que no puede ser aprovechada ni transformada, se formuló la más desalentadora de las leyes científicas, cono­cida con el inocente nombre de Segundo Principio de la Termodinámica. Este principio, que puede ser (y ha sido) enunciado de muy diversas maneras, fue formulado por primera vez por el físico y matemático alemán Rudolf Emanuel Clausius (1822 1888). La formulación original de Clausius es realmente difícil de comprender para alguien que no esté versado en termodinámica, pero puede transcribirse al lenguaje cotidiano (y que nos perdonen los físicos y los químicos) por algo así como que no es posible construir una nevera que además de enfriar los alimentos genere, al mismo tiempo, energía eléctrica. Que Clausius tenía razón nos lo certifica, cada dos meses, el recibo de la luz.

Bromas aparte, la formulación más habitual del Segundo Principio nos asegura que en un sistema cerrado la entropía tiende irremisiblemente a aumentar con el tiempo. El concepto de entropía expresa la cantidad de energía que se convierte en calor en un sistema cerrado. Y un sistema cerrado es aquél en el que no hay entradas ni salidas de energía ni de materia. Explicado de esta manera, el Segundo Principio de la Termodinámica no parece tan terrible; pero pasémoslo a un lenguaje más fácil de entender.

La entropía también puede ser considerada como una medida del desorden espacial y energético de un sistema. La idea de desorden energético no significa otra cosa que el paso de energía de alta calidad a energía de baja de calidad, mientras que el desorden espacial es, exactamente, lo que entendemos habitualmente por desorden.

Un ejemplo dramático (y el que más nos interesa) de las consecuencias del Segundo Principio es el caso de los seres vivos, sistemas de materia altamente ordenada. Si a un organismo se le convierte en un sistema cerrado, privándole de su fuente de materia y energía, de su alimento, muere y se descompone en un montón de materia altamente desordenada: «Polvo eres...»

De manera que en nuestro Universo la energía tiende a disiparse en forma de calor y la materia pugna por desordenarse. Y lo que es peor, si el Universo, como afirman muchos científicos, es en sí mismo un sistema cerrado, resulta que tiende a desordenarse irremisiblemente. Esta visión de un Universo cayendo inevitablemente por la cuesta abajo del desorden justificaría que el Segundo Principio fuera rebautizado como el Principio del Pesimismo Universal: da igual lo que hagamos, lo que intentemos construir, todo tiende inevitablemente al caos; tenemos al Universo en contra.

Sin embargo, existe un rayo de luz en este panorama tan sombrío. En 1943, el premio Nobel de Física austríaco Erwin Schrodinger (1887­1961) llamó la atención sobre el hecho de que el fenómeno de la vida parece desafiar al Segundo Principio de la Termodinámica, ya que, desde sus orígenes, la materia viva ha ido adquiriendo una complejidad cada vez mayor. Este incremento del orden a lo largo del tiempo parece refutar la imagen de un Universo condenado al caos. Sin embargo, esto sólo es una aparente contradicción: los seres vivos no son sistemas cerrados. Los organismos, al alimentarse, están continuamente adquiriendo energía de alta calidad y materia. Esta incorporación continua de energía y materia los convierte en sistemas abiertos, contra quienes el Segundo Principio no tiene poder.

Pero aunque algunos mostremos una cierta tendencia a engordar, los seres vivos no parecen acumular toda la energía de alta calidad y la materia que asimilan. ¿Adónde van a parar, entonces, dichas materia y energía? Lo cierto es que diariamente nos deshacemos de la mayor parte de la materia que asimilamos, en forma de dióxido de carbono, de orina y de sudor. Por otra parte, la energía de alta calidad la empleamos en generar calor y energía para desplazarnos y mantener activas nuestras maquinarias biológicas; y esta energía también acaba convertida en calor. O sea, que incorporamos materia muy ordenada y energía de alta calidad y expelemos materia muy simple y calor. ¡Nos mantenemos ordenados a cambio de aumentar el desorden de la materia y de la energía externas!

En realidad, los seres vivos preservamos nuestro extraordinario nivel de orden gracias a un flujo constante de materia y energía que nos atraviesa, aumentando su desorden al hacerlo. Para decirlo técnicamente: mantenemos baja nuestra entropía a costa de aumentar la de nuestro entorno. Y la cantidad de desorden que generamos es mayor que la del orden que conseguimos (piensen, por ejemplo, en la cantidad de calor y desperdicios que producen nuestras ciudades).

En realidad, los seres vivos no violamos el Segundo Principio de la Termodinámica, ya que al generar un desorden externo mayor que nuestro orden interno, el desorden total del Universo (su entropía) aumenta. No somos otra cosa que aceleradores del caos. Ése es el precio de la vida.

Pero este proceso, que se describe de manera general con tanta facilidad, ¿cómo tiene lugar?, ¿qué tipo de energía de alta calidad emplea la materia viva?, ¿cómo la convierte en calor y en vida? El hilo del ovillo lo encontró hace mucho tiempo un hombre sabio.
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