TRANSICIONES DE FASE
No todo superhéroe posee poderes y capacidades que van mucho más allá que las de los mortales. Algunos, como Batman y Wildcat, se enfrentan con bravura a supervillanos armados con nada menos que un buen garfio y el valor de aparecer en público vistiendo su ropa interior en la parte exterior de su atuendo. Batman intentaría naturalmente equilibrar las posibilidades de algún modo utilizando su cerebro analítico, tan bien entrenado como su cuerpo, para producir una serie fabulosa de armas contra el crimen que guarda en el interior de su útil cinturón. De todos los Marvel Comics, el ingeniero superhéroe alcanzó su apogeo en el número 39 de Tales of Suspense, haciendo la presentación del invencible Iron Man (el Hombre de Hierro). Cuando el genial ingeniero eléctrico y constructor de armas Tony Stark hizo su flexible traje de armadura roja y dorada, tiene la fuerza de cien hombres, es capaz de volar utilizando cohetes construidos en las suelas de sus botas, y puede arrojar «rayos de repulsión» conmocionantes desde las palmas de sus guantes.
Tendremos mucho más que decir de Tony y de su dorado alter ego vengador cuando lleguemos al capítulo 23, dedicado a tratar de la física del estado sólido. Ahora quiero considerar uno de los miembros contratados de la galería de villanos con superpoderes de los granujas de Iron Man, que lo acosarían una y otra vez. Este villano fue uno de los primeros en provocar realmente temor en el corazón herido por la metralla[49] de Tony. Si usted usa un traje de hierro, y su único superpoder proviene de su traje, una de sus peores pesadillas será un villano que posee un «rayo fundidor» capaz de disolver el hierro como mantequilla caliente encima de una estufa. Desgraciadamente para Iron Man, Bruno Horgan poseía tal pistola licuadora, y como el consumado delincuente Melter era muy feliz usándola. Cuando Melter hizo su primera aparición allá en 1963, la noción de un rayo fundidor parecía apropiada solamente para los cómics. Como ahora discutiremos, la ciencia y la ingeniería han avanzado hasta el punto de que dichos dispositivos son un lugar común. Usted tiene probablemente uno en su casa en este momento (sin duda se refiere a él con el nombre de «homo microondas»).
Antes de que podamos contestar a la pregunta de por qué se derriten los sólidos cuando se vuelven muy calientes, necesitamos ocuparnos de una cuestión más básica. ¿Por qué se combinan los átomos para formar sólidos? Ello proviene de la energía y la entropía. Bajo ciertas circunstancias dos átomos pueden tener una energía total menor cuando están lo bastante juntos como para que las «órbitas» de sus electrones se superpongan. Cuando esto sucede se forma un enlace químico entre los dos átomos. Este descenso de energía no siempre es muy significativo. Si los dos átomos se están moviendo muy rápidamente cuando se aproximan, entonces su energía cinética individual será mucho mayor que cualquier descenso de energía resultante de la formación de un enlace químico, y no se habrá formado ninguna unión química entre ellos. Es más fácil enganchar un remolque al anclaje trasero de un camión si nos acercamos lentamente al anclaje que si chocamos con él a 150 km/h. Cuanto más lentamente se mueven los átomos mayor es la posibilidad de que el descenso de energía resultante prevalezca cuando se aproximan, y así permanecerán unidos formando una molécula.
Lo que es cierto para dos átomos vale también para doscientos, o dos millones de trillones de átomos. Cuando desciende la temperatura de un gas, la energía cinética promedio de cada átomo decrece y mayor es la probabilidad de que los átomos, al chocar, condensen en una nueva fase de la materia, un líquido. Añadiendo energía térmica (calor) al líquido se invierte el proceso, y el fluido hervirá y volverá a la fase vapor. De modo semejante, disminuyendo la temperatura de un líquido se alcanza un punto en el cual los átomos dejan de deslizar unos junto a otros y quedan enlazados en una red sólida rígida. Si comprimo el conjunto de átomos, los fuerzo a permanecer más cercanos entre sí de lo que estarían de ordinario, cambiando la temperatura a la que tiene lugar la transición de fase.
Lo que determina la temperatura y presión exacta bajo las cuales tiene lugar una transición de fase depende de los detalles de cómo se enlazan los átomos individuales cuando se superponen sus nubes electrónicas. Para determinar la temperatura a la que ocurre la transición de fase tal como el derretirse o el hervir, debemos hacer algo más que simplemente contar la energía necesaria para romper cada enlace químico que mantiene unido a un sólido o un líquido. Tenemos que tomar en cuenta también el gran cambio en el desorden de los átomos, es decir, su entropía. Para una energía interna determinada, los sistemas tienden a aumentar su entropía, porque mientras el resto de cosas sigue igual hay muchas más configuraciones desordenadas que las estructuras definidas y ordenadas. La competencia entre el descenso de energía y el aumento de entropía conduce a un fascinante fenómeno colectivo en el cual todos los átomos de un sólido deciden fundirse a la misma temperatura. Por cierto, las burbujas que asociamos con el agua hirviente en una cazuela provienen de pequeñas irregularidades al calentar el fondo de un cazo. Los puntos individuales del fondo del cazo estarán más calientes que las regiones vecinas y la transición de líquido a vapor se produce en primer lugar en dichos puntos. El vapor bajo el agua forma una burbuja flotante que sube a la superficie. En un recipiente extremadamente uniforme y limpio encima de una fuente de calor homogénea, el nivel de agua en el recipiente descenderá suavemente por evaporación antes de que se produzca ningún burbujeo apreciable, al tener lugar la transición de fase de modo uniforme y silencioso.
Para iniciar el proceso de fusión, debemos añadir energía al sólido. Podemos hacerlo de forma lenta y convencional, colocando el sólido en un horno, o de forma rápida, como lo hace Bruno Horgan con su rayo fundidor. En un homo convencional, los elementos caloríficos (ya sean los chorros de la llama de gas o las bobinas eléctricas) hacen que aumente la temperatura del interior del horno. Un sólido colocado en el horno, tal como un buen asado, alcanzará la temperatura del horno a medida que las moléculas del aire choquen con las paredes del horno, adquieran cierta energía cinética extra y luego hagan su camino hasta el asado. Al golpear la superficie del asado dichas moléculas de aire que se mueven con rapidez transferirán su energía a la carne. Con un horno de conducción uno debe esperar a que las moléculas de aire caliente se desplacen moviéndose aleatoriamente desde las paredes calientes hasta el asado más frío, mientras que con un horno de convección un ventilador genera celdas de circulación desde la parte caliente a la fría y viceversa (como en nuestra discusión acerca de Tormenta, de la Patrulla X, del capítulo anterior). En cualquier caso la superficie del asado se calienta primero, y hay que esperar, a veces varias horas, para que el centro de la carne alcance una temperatura mayor. A medida que aumenta la temperatura interna de la carne, los átomos se agitan cada vez más violentamente alrededor de sus posiciones de equilibrio. A una determinada temperatura la agitación de las fibras contiguas y los depósitos de grasa del asado es lo bastante pronunciada como para que dichas fibras sufran una transición de fase y se fundan[50]. Puesto que esos son los tejidos más duros y fibrosos que sujetan a las células del músculo del asado, al derretirse la carne se vuelve más tierna y fácil de comer. Éste es el mismo principio utilizado por Flash cuando escapa de los sólidos bloques de hielo en los cuales el Captain Cold lo sepulta rutinariamente[51]. Uno puede disolver parcialmente esas fibras químicamente, utilizando jugo de limón o una marinada con base de vinagre, pero de nuevo dependemos de agentes químicos que han de propagarse hasta el centro del asado, como en un horno convencional.
Si tiene prisa pero no puede vibrar a supervelocidad, puede utilizar otra técnica. Implica sujetar al mismo tiempo cada átomo individual del sólido y sacudirlo muy rápidamente de atrás a adelante, utilizando la fricción interna para cocer todas las partes del asado simultáneamente. Esto es lo que hacen los hornos microondas y el rayo mortal de Melter.
Cada uno de los átomos de un sólido es eléctricamente neutro, con exactamente tantos protones cargados en el núcleo como electrones cargados negativamente pululan en torno al mismo. Pero los electrones no siempre están distribuidos alrededor del núcleo de un modo perfectamente simétrico. Debido a los caprichos de las nubes de probabilidad y a la naturaleza de los enlaces químicos que mantienen unidos a los átomos, a veces un lado puede tener más carga eléctrica que el otro, por lo que será un poco más negativo por un lado y un poco más positivo por el otro, al igual que una barra de imán tiene un extremo con un polo magnético Norte y el otro extremo con un polo magnético Sur. Este desequilibrio de carga no es muy grande, pero proporciona al campo eléctrico aplicado algo a lo que sujetarse. Incluso moléculas con distribuciones de carga perfectamente simétricas pueden polarizarse mediante un campo eléctrico externo.
Si se aplica un campo eléctrico lo bastante grande a través del sólido, los átomos no equilibrados se alinean con el campo, al igual que la aguja de una brújula girará para apuntar en la dirección de un campo magnético externo. Si ahora invierto súbitamente la dirección del campo eléctrico, todos los átomos darán una vuelta de 180 grados y apuntarán en sentido opuesto. Al cambiar el campo eléctrico de nuevo a su orientación original, los átomos tendrán que girar otra vez. Si cambio la dirección del campo eléctrico atrás y adelante varios miles de millones de veces por segundo, los átomos quedarán girando. Esta energía de vibración elevará muy rápidamente la energía interna promedio de cada átomo del material y con ello elevará su temperatura. A medida que el campo eléctrico externo penetra profundamente en el material (con pocas excepciones) más átomos se moverán también vibrando debido al campo eléctrico oscilante, no solamente los de la superficie. Este proceso es muchas veces más eficaz que el de esperar el transporte de energía por el impacto de las moléculas de aire caliente. La frecuencia de oscilación de los campos eléctricos alternantes se halla en la parte de microondas del espectro electromagnético, y de aquí que este tipo de dispositivo para cocinar se llame un horno microondas.
Los emisores de microondas (llamados magnetrones) fueron creados por primera vez para aplicaciones de radar durante la Segunda Guerra Mundial. Los beneficios para la cocina de un dispositivo de ese tipo se advirtieron en 1945, cuando el ingeniero Percy L. Spencer, al estudiar el rango de la energía de microondas emitida por un magnetrón, observó que la barra de caramelo que guardaba en el bolsillo de sus pantalones se había derretido. Un siguiente experimento con palomitas de maíz confirmó la utilidad no militar de este dispositivo.
Cuanto más fácil resulta a los átomos de un objeto vibrar y rotar con el campo eléctrico oscilante, más deprisa se elevará la temperatura del objeto. Ésta es la razón por la cual los líquidos se calientan más deprisa que los sólidos en un microondas. Usted puede excavar un agujero profundo en un trozo grande de hielo y llenarlo con agua. Colocando la «copa de hielo» llena de agua en un horno microondas podrá hervir el agua mientras la copa de hielo exterior continúa estando fría y sólida. No deje la copa de hielo en el microondas mucho tiempo, sin embargo, puesto que también se derretirá debido a la labor del campo eléctrico alternante, y en mucho menos tiempo del que tardaría en un horno térmico convencional.
Según las descripciones dadas en las páginas de los cómics Tales of Suspense y Iron Man, ¿podemos inferir que el arma de Melter utiliza el mismo principio que constituye el fundamento de los hornos microondas? Sí y no. Bruno Horgan apareció por primera vez en el número 47 de Tales of Suspense como un competidor industrial de Tony Stark y se irritó cuando perdió un contrato gubernamental para construir tanques para la armada de Estados Unidos una vez que el estamento militar descubrió que Cleat Horgan estaba usando «materiales inferiores». La compañía de Stark ganó el contrato de la armada, a pesar de que existía un conflicto de intereses en la información presentada, ya que el informe que describía el uso por parte de Horgan de componentes de calidad inferior había sido escrito por el propio Tony Stark. Más tarde, uno de los aparatos de prueba de gases del laboratorio, construido con piezas de inferior calidad, sufrió un cortocircuito mientras lo estaba examinando y emitió un rayo de energía que fundió todo el hierro que se hallaba en su camino[52]. Cuando Horgan se dio cuenta de que el «rayo de análisis» que había creado era realmente un rayo fundidor, rediseñó el aparato en la forma de una unidad portátil y compacta y, vistiendo un horrendo traje azul y gris (reforzando varios estereotipos relativos al sentido de la moda de los ingenieros), decide destruir a sus enemigos y convertirse en hegemónico (reforzando tristemente varios estereotipos referentes al sentido ético de los industriales modernos). Tras un éxito inicial contra Stark Industries y Iron Man, Horgan queda pasmado cuando descubre, al final de la historia, que su rayo ya no resulta efectivo contra el vengador dorado. Melter no es consciente de que Tony Stark ha averiguado la debilidad de su arma: ¡actúa solamente sobre el hierro! Al crear un traje de «aluminio bruñido» que parece indistinguible de su habitual traje blindado, Tony puede combatir a Melter hasta congelarlo, y solamente una cañería derretida por accidente encima de un alcantarillado permite escapar a Horgan para luchar otro día.
De esta historia debemos concluir que el rayo fundidor de Horgan no es un artefacto de microondas portátil. Un campo eléctrico oscilante de un horno microondas actúa sobre cualquier átomo, mientras que el arma de Horgan actúa sobre el hierro (que contiene 26 electrones) pero no sobre el aluminio (con 13 electrones). Más adelante (en el número 89 de Tales of Suspense), la pistola del rayo fundidor de Horgan se volvió más específica, con controles para la piedra, el metal, la madera y la carne (¡sí!). Esta especialización ayudó al rescate de Tony cuando, vestido de civil, fue alcanzado por el arma de Horgan, aunque no resultó herido. Bruno Horgan no sabía que Tony Stark era también Iron Man, y no era por lo tanto consciente de que Stark usaba siempre su lámina metálica en su pecho bajo su camisa (para guardar la granada cerca de su corazón en caso de peligro, como se explica en el capítulo 23) y por eso tenía el arma dispuesta en «Carne» cuando el ajuste correcto hubiera sido «Metal».
Ahora bien, es realmente cierto que cuando dos átomos forman un enlace químico, el descenso de energía es único para los átomos particulares que participan. Así, cada enlace químico tiene su propia energía característica y en principio es posible diseñar un arma de tipo microondas que podría sintonizarse con los enlaces químicos de la piedra en lugar de con los de los metales. De modo semejante, sintonizar con la frecuencia resonante del agua haría eficaz el rayo contra las personas y no contra objetos no animados. Tal «rayo de calor» basado en microondas que provoca un dolor extremo, parecido a una quemadura de segundo grado, cuando el rayo impacta en una persona, ha sido desarrollado recientemente. El motivo para el desarrollo de un arma semejante es el de utilizarla en situaciones de control de multitudes, puesto que el rayo de calor hace que un grupo de personas se disperse de un lugar determinado con el fin de evitar el dolor de la quemadura. No obstante, Con independencia de cómo se sintonice la frecuencia del campo eléctrico oscilante, los enlaces entre los átomos de hierro y los de aluminio en sus respectivos metales son demasiado parecidos como para que un arma diseñada para derretir el hierro no derrita también el aluminio.
Naturalmente, toda esta discusión acerca de Melter y del traje metálico de Tony Stark plantea una pregunta que ha asediado desde hace tiempo al hombre moderno: si podemos colocar un hombre en la Luna ¿Por qué no podemos colocar un objeto metálico en un microondas? La respuesta es que podemos poner metal en un microondas, pero los electrones libres del metal podrían provocar algunos problemas graves. Los metales tienen conductividades térmicas elevadas, y pueden provocar incendios en contacto con papel en un horno microondas. Aplicar un campo eléctrico externo a los electrones capaces de transitar por todo el volumen del metal hace más que empujarlos adelante y atrás como ocurre con los átomos fijos.
Un metal en un microondas es un objeto aislado y no hay lugar adonde puedan ir esos electrones impulsados, de modo que se pueden acumular en uno de los extremos del metal. Si existen puntos o bordes cortantes, esta acumulación de electrones puede hacer que se genere un nuevo campo eléctrico de gran magnitud en el interior del objeto metálico.
Si este campo eléctrico llega a ser mayor que 12.000 voltios por centímetro puede provocar una chispa, al no ser capaz el aire de aislar el alto voltaje del metal de la pared del horno, y surgirán pequeñas descargas. Dependiendo de la curvatura del metal, el campo eléctrico inducido puede ser menor que el nivel crítico de descarga, aunque una esquina aguda en una porción de mantequilla recubierta con papel de aluminio puede ser suficiente para crear una chispa que estropee permanentemente la superficie interna del horno (nota personal para mi esposa: lo siento, cariño).