El annus mirabilis de Einstein (II) - ¿Qué es el calor?

Octavi López Coronado / 24-04-2006

Ahora sabemos que el calor es debido a la agitación térmica de las moléculas. Es energía mecánica a escala microscópica. En un cuerpo caliente, las moléculas chocan, oscilan y se mueven con mayor velocidad que en un cuerpo más frío. Pero, a principios del siglo pasado, la teoría cinética del calor era una teoría más, sin una confirmación experimental clara. De hecho, la propia existencia de las moléculas y de los átomos tenía muchos detractores y no estaba aceptada en absoluto por todos los científicos.

Einstein afrontó esta cuestión a partir del estudio del movimiento browniano. En 1828, el botánico inglés Robert Brown publicó sus meticulosas observaciones a través del microscopio del movimiento que describe un granito de polen suspendido en un líquido. El granito seguía una trayectoria errática por el líquido en reposo, en un movimiento cuyo origen nadie podía explicar. Parecía como si aquel granito de polen tuviese vida propia y, de hecho, ésta fue una de las explicaciones que se le dieron al fenómeno. Pero Brown fue más allá y realizó numerosos experimentos con partículas microscópicas de materiales como el vidrio, y siguió observando el mismo movimiento incesante y aleatorio. Las explicaciones basadas en fuerzas vitales ya no eran satisfactorias, así que se buscaron otras explicaciones alternativas que, poco a poco, los experimentos fueron también descartando.

Para Einstein, este movimiento podía representar la puerta de enlace entre el mundo observable, aunque fuese a través del microscopio, y el mundo increíblemente pequeño de las moléculas y los átomos. Pero él no conocía con detalle las observaciones que se habían realizado sobre este fenómeno, así que prefirió dar un paso atrás y referirse a ello de una manera más genérica, hablando del "movimiento de partículas pequeñas suspendidas en líquidos en reposo". Si el movimiento browniano respondía o no a lo que él estaba explicando, ya no era cosa suya.

En su primer artículo científico publicado en 1905 (aunque su tesis doctoral es anterior, el artículo que se derivó de ella no apareció en Annalen der Physik hasta el año siguiente), Einstein obtuvo la fórmula para calcular el desplazamiento promedio en función de la temperatura que experimenta una partícula diminuta, microscópica, cuando está sumergida en un líquido, a causa de los choques aleatorios de las moléculas del líquido contra ella. Así demostraba, de forma teórica, que el calor es, efectivamente, una manifestación del movimiento microscópico de las moléculas de una substancia. Einstein realizó unas predicciones que los experimentadores podrían comprobar más adelante para ver si la teoría era o no cierta.

Para comenzar, el artículo deducía de nuevo el coeficiente de difusión de una substancia en función del tamaño de las partículas suspendidas, la temperatura y la viscosidad del líquido, como ya hizo en su tesis doctoral. Deducía también el desplazamiento en una dirección que experimenta, en promedio, una partícula microscópica suspendida en un líquido, que dependía del tiempo y del coeficiente de difusión. Como ambas expresiones contienen el coeficiente de difusión, se podían combinar en una sola fórmula que relacionaba directamente el desplazamiento promedio de una partícula en un intervalo de tiempo determinado con la temperatura, el tamaño de las partículas suspendidas, el coeficiente de viscosidad de líquido y el Número de Avogadro (el número de moléculas que hay en un mol de substancia).

Según la fórmula, después de observar un grano de polen (0,001mm de diámetro) suspendido en agua (a unos 10ºC y con un coeficiente de difusión de 1,35 x 10-2) durante un minuto, éste debería desplazarse, en promedio, unas 6 micras respecto de su posición original.

Como la fórmula de Einstein había sido obtenida teniendo en cuenta las premisas de la teoría cinética del calor, si se confirmaban los cálculos experimentalmente se confirmaba la validez de esta teoría y, por lo tanto, constituiría una prueba más de la existencia de los átomos y de las moléculas. Por el contrario, si sus cálculos eran incorrectos, la teoría que considera el calor como el movimiento de átomos y moléculas podía ser falsa. Einstein concluía su artículo diciendo: "esperamos que algún investigador consiga pronto resolver el problema aquí presentado, que tan importante es para la teoría del calor". La confirmación experimental fue obtenida con éxito en 1908 por el científico francés Jean Perrin.

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El autor

Octavi López Coronado es Doctor en Física y divulgador científico. Actualmente trabaja como técnico de Comunicación Científica en el Área de Comunicación de la Universitat Autònoma de Barcelona.

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