Bueno, este es el primer artículo de ciencia vulgar del año. Me gustaría decirles que habrá mucha actividad, pero eso sería comprometerme, y no, no me gusta el compromiso. Para escribir estas odiseas hace falta que Ulises esté de buenas, hoy es uno de esos días, pero los demás… pocas veces, siempre estoy de malas, así soy yo, y ya poco se puede hacer para cambiar a estas alturas del partido.
Tengo una lista de pendientes, desde preguntas que me mandan amigos, cosas que veo en el internet o peticiones personales por el apartado de mensajes de wordpress, siempre digo que los haré y no hago nada, pues bueno, pienso acabar con esa lista de pendientes de una vez por todas. Paso a pasito, tampoco los acabaré de un golpe, pero intentaré hacerlo.
Esta duda surgió de un debate en una página de Facebook en la que todos los supuestos ingenieros y científicos estaban dando una explicación, pero en vez de preferir responder con sencillez, decidieron hacer una pelea por ver cual simio trepaba a la rama más alta de los árboles usando un vocabulario que ellos designan como «científico». En fin, todos vosotros sabéis que a mí esas ropas no me quedan (porque soy gordo), y yo, prefiero la sencillez antes que lo complicado y lo soez antes que lo elegante.
Debo decirles que esta pregunta no es tan sencilla como otras que andan por allí respecto a este mundillo lleno de cosas que parecen obvias pero que no lo son, para ello usaré dos cartas: Mi carta monstruo, mecánica de fluidos, con 3000 de ataque y 3000 de defensa, y claro; mi carta trampa favorita, la maravillosa termodinámica.
La bibliografía está compuesta por tres libros (para todo aquél enfermo mental que quiera ahondar en el tema):
1.- Thermal Physics de Kittle and Kromer.
2.- Fisicoquímica de David Ball.
3.- Mecánica de fluidos de Robert L. Mott.
─Efraín, así no se referencian los libros, ni siquiera estás poniendo la edición, además van al final, ¿no aprendiste nada en la universidad?
─No, por eso me expulsaron, no sé seguir tus jodidas reglas académicas, y me importa una mierda. Mi blog, mis reglas.
Sin más que agregar de momento, a otra cosa mariposa:
Primero que nada, vamos a dejar clara la diferencia entre soplar y «ahhh». Soplar es lo que haces cuando quieres enfriar la sopa para no quemarte el hocico, el aire es frío, esto facilita que la sopa disminuya su temperatura y tú puedas ingerir tus sagrados alimentos.
Por otra parte, «ahhh», es usar el aliento, el aire es más caliente. Es el que usas para limpiar tus gafas, espejos o cualquier cristalería o superficie que, se supone, debería estar reluciente. En invierno lo usas para calentar tus manos.
También «ahhhh» es el que usas para los orgasmos, para darle a entender a la chica que eso que le estás haciendo (o te está haciendo) lo estás disfrutando a tope, pero, por el dinero que le pagas la hora, ni siquiera deberías aclararle las cosas, pero bueno, esa es otra historia.
Y aquí es donde entra la pregunta: ¿Cómo dos corrientes de aire que provienen de nuestro cuerpo pueden tener dos temperaturas distintas?, ¿es acaso que somos algún tipo de calentador de agua?, ¿es este otro de los maravillosos secretos de la homeostasis que tanto elogian los médicos y que utilizan para consagrar al cuerpo humano como una de las mayores maravillas creadas por Dios?, pues no, lamento romper tus sueños, pero esto poco tiene qué ver con el cuerpo humano, el cuerpo humano es una mierda, aquél que piense que es lo mejor creado, no tiene idea ni de cómo funcionan otros seres vivos o no ha vivido la maravillosa experiencia de tener cáncer.
El aire cambia su temperatura justamente fuera del cuerpo, no dentro de él, mira…
Cuando yo estaba en la universidad, mi maestra de termodinámica era malísima para explicar las cosas, gracias a Dios yo no lo soy, ¿simplifico?, sí, como todos, pero sin perder la esencia. Por ejemplo, yo pienso abogar a que las leyes de la termodinámica son cuatro, no tres. Mi maestra decía que son tres y un principio cero «tan obvio» que ni siquiera hacía falta ahondar en él, a mí no me gusta eso de ver como «obvio» algo tan fundamental como los principios de la termodinámica, pero bueno, cada quien.
En caso de que vivas debajo de una piedra en la que todavía no se descubre la termodinámica, aquí te va el parafraseo de lo que establece el principio obvio (también conocido como «principio cero»):
«Todo sistema termodinámico tiende al equilibrio térmico».
De hecho, la postulación formal es mucho más rigurosa, solo es cosa de que le eches un clavado a la Wikipedia o al libro de Kittle and Kromer:
«Existe una determinada propiedad, denominada temperatura empírica, que es común para todos los estados de equilibrio que se encuentren en equilibrio mutuo con uno dado».
¡Ufff!, cada vez más complicado, vamos a quedarnos con la primera, pero, ¿qué significa todo esto de que las cosas tienden al equilibrio térmico? Pues bueno, creo yo que lo mejor será usar una curiosidad matemática clásica:
Si A es igual a B, y B es igual a C, entonces A es igual a C.
Dicho en lenguaje matemático:
A = B
B = C
A = B V B = C → A = C
A = B V B = C
A = C
Esto es lo que maravilla de la pregunta, esto es lo que relaciona la homeostasis del cuerpo humano y el hecho de que podamos llegar a creer que somos capaces de regular la temperatura del aire dentro de nosotros: Cuando varios cuerpos están en contacto y el tiempo transcurra, sí o sí deberán todos tener la misma temperatura, puede ser algo rápido, o puede ser algo que tome miles de años, pero el principio cero nos dice que tarde o temprano todos estos deben cumplir con aquello de tener una misma temperatura (un equilibrio térmico). Es una ley física, y a diferencia de las leyes de tu país… Esta no se puede romper.
El cuerpo humano tiene una temperatura aproximada de 37°C, es lógico pensar que entre más tiempo pase el aire dentro de nuestro cuerpo, más debe aumentar o disminuir la temperatura del aire hasta acercarse a esos 37°C, es decir: Hasta alcanzar el equilibrio térmico. Sin embargo, cuando soplamos o usamos el aliento, esto no parece cumplirse, no pareciese que estemos a algo cercano al principio cero, de hecho, se vuelve poco intuitivo, ¡¿Por qué somos capaces de cambiar la temperatura en cuestión de segundos?!
Y esto se responde prestando un poco de atención, solo es cuestión de que veas la posición de tus labios entre soplar y usar el aliento. Cuando soplas la abertura es pequeña, cuando usas el aliento abres mucho la boca.
Para dejar esto más claro es hora de hablar un poco de mecánica de fluidos. Para ello usaremos dos factores clave: El principio de continuidad y la tasa de flujo volumétrico.
Imagina una tubería por la que pasa un fluido, cualquier fluido es bueno, supongamos que es agua. Pues bien, toda la masa que entra por la tubería (si no hay acumulación) tiene que salir. Si yo meto un litro de agua, un litro de agua sale, si saliera solo medio litro, forzosamente el medio litro faltante está dentro de la tubería, nada desaparece por arte de magia, lógico. Matemáticamente esto se expresa de la siguiente manera:
ρ1*A1*V1 = ρ2*A2*V2
Donde ρ es la densidad del fluido, A es el área de la sección por la cual está atravesando, y V es la velocidad.
Puedes notar la igualdad, esto es algo obvio, no importa si la entrada de la tubería es grande o pequeña, o si la salida es más grande o pequeña. Al final del día la cantidad de masa que entró por un extremo, debe salir por el otro.
Ahora, por otra parte tenemos la ecuación para medir la tasa de flujo volumétrico:
Q = A*V
Donde Q es el flujo volumétrico (caudal, es decir; que tanto volumen por segundo sale de la tubería), A es el área de la sección, y bueno, V es la velocidad del fluido.
El cómo se relacionan ambas no tiene tanta importancia para el tema sobre la mesa, pero quiero que prestes especial atención a la del flujo, porque si despejamos la velocidad podemos darnos cuenta de algo muy interesante:
V = Q/A
La ecuación nos dice que la velocidad aumenta entre más pequeña es el área por la cual fluye el fluido, y claro, disminuye cuando el área aumenta. Puedes probar metiendo datos, aunque verlo como una fracción ya debería ser algo obvio. Es más pequeño un cuarto que un medio, más pequeño un octavo que un cuarto, etcétera. Entre más grande es el número en el denominador (el número que aparece abajo), más pequeña es la cantidad, en este caso, la velocidad.
Y todo esto lo menciono porque llegó la hora de mencionar el famoso efecto Venturi:
Inhala fuerte, ahora sopla. El aire viene desde tus pulmones, pasa por tu garganta y llega a la boca con una determinada presión. Cuando sale cambia su velocidad, porque como ya mencionamos, al ser la abertura menor, esto hace que se incremente la velocidad del aire. Pero, al salir de tu boca, ¡magia!, se expande. Esto es obvio, viene comprimido por la presión que tú ejerces, al salir a la atmósfera este aire debe expandirse por la disminución de presión.
Y pues resulta que Venturi ya había estudiado este efecto al que se bautizó con su nombre. Dicho efecto nos dice que cuando un fluido aumenta su velocidad por pasar a través de una sección menor, automáticamente su presión disminuye, hasta cierto punto es algo lógico. Pero no siempre resulta del todo, aquí lo es porque tú puedes sentir la presión que estás ejerciendo, pero en una tubería hecha de un material inerte y sin vida, poco podrías darte cuenta.
De hecho puedes disminuir tanto la presión hasta generar un vacío, es decir: Si un fluido pasa a través de una tubería que experimenta distintas disminuciones del área de la sección por la cual atraviesa, podemos disminuir tanto la presión aumentando la velocidad que llegará un punto en el que esto generará una presión negativa, dicho mal y pronto: Nos dará la sensación de que la tubería absorbe en vez de expulsar cosas. Y esto va en contra de la intuición, porque como bien sabes, si le haces un agujero a una manguera de agua, es obvio que esta saldrá, pero, el efecto Venturi nos dice que dependerá del área y la velocidad que esté en una determinada sección de la manguera, ¡toma esa!
Ahora, eso pasa cuando soplas. El aire disminuye su presión, es decir, sufre una descompresión. El efecto Venturi nos dice que por dicha caída de presión debe haber algún tipo de efecto de «absorción de aire», ¿no?, pues sí pasa.
El aire que sale de tu boca «absorbe» el aire que está rodeando tu cara, que, por lo general, suele estar por debajo de los 37°C que le corresponden a tu cuerpo, esto hace que se mezcle y de forma inmediata ya no puedas sentir que está caliente como el del aliento. Esto ocurre en una fracción tan pequeña de tiempo que no te percatas, pero así pasa. Si usaras una cámara de las que te detectan temperaturas, podrías ver cómo cambian los colores y cómo se mezclan las corrientes de aire, las corrientes que rodean tu cara y la corriente saliendo de tus deliciosos y carnosos labios.
Antes de proseguir quisiera decirte que el efecto Venturi tiene aplicaciones de todo tipo, desde las mascarillas que se usan en el hospital, hasta la extracción de petróleo. Esto es obvio, siempre que escuches efecto Venturi solo basta relacionarlo con la succión y la «absorción», donde haya algo de eso seguro podrás toparte una que otra aplicación del efecto Venturi. Pero en fin, prosigamos:
El efecto Venturi aporta al cambio de temperatura por el hecho de mezclar masas de aire, pero, ahora falta un factor mucho más interesante… El efecto Joule-Thomson.
Para fines prácticos, he de decir que esto se explica tomando como base el aire que respiramos, la presión atmosférica normal y otras simplificaciones, así que cuidado, lo siguiente, en teoría, no aplica ni para todos los gases ni para todas las condiciones:
Hace años, James Joule y William Thomson (que después sería llamado Lord Kelvin) hacían un interesante experimento en el que bombeaban aire a través de un pequeño ducto. Lo hacían con una bomba muy parecida a la que se usa para inflar las cámaras de las bicicletas. Pues bien, esto causaba un incremento de presión, pero, el ducto estaba conectado a una cámara donde la presión disminuía debido a un tapón poroso. Cuando los hombres midieron las temperaturas, se percataron que la temperatura en el lugar donde había mayor presión, era mayor, y que, el lugar donde la presión disminuía, y ergo, el gas se expandía, resultó ser inferior. Dicho en román paladino: La expansión del gas lo estaba enfriando.
La mayor parte de los gases cumplen esto si y solo si están dentro de unos rangos normales de temperaturas iniciales y dentro de unos rangos de presión. Para fines prácticos, el aire normal cumple con esto. Siempre que el aire (que es una mezcla de distintos elementos) experimenta una expansión, disminuye su temperatura.
Este efecto fue bautizado por el nombre de sus descubridores: Efecto Joule-Thomson. Y su principal aplicación es para licuar gases, es decir, volver líquidos los gases y así poder transportar mayor cantidad de ellos de una forma mucho más económica.
¿Y todo esto no es precisamente lo que pasa con el aire de tu boca?, pues sí. Al momento que soplas estás ejerciendo una determinada presión, cuando el aire pasa por tu boca aumenta su velocidad y su presión disminuye, esta disminución de presión hace que las partículas que componen el aire se separen, ya que, como podrás imaginar, a mayor presión más juntas están, pero al no sufrir esta presión las mismas son libres de expandirse, y bueno, debido al efecto Joule-Thomson, estas disminuyen su temperatura.
La razón por la cual disminuye la temperatura es debido al movimiento, eso se explica con la teoría cinética molecular o usando un poco de mecánica estadística (consultar David Ball), pero bueno, para entender eso habría que ahondar mucho más y más. La forma más simple de explicar esto sería decir que las cosas entre más rápido se mueven más calientes son, y entre más despacio, pues más frías.
Si no me crees intenta frotar tus manos rápidamente una con la otra, entre más rápido más caliente, entre más lento ni siquiera notarás un cambio de temperatura. Pues bien, lo mismo pasa con las partículas que componen los gases.
En otra entrada ahondaré en todo lo que tiene qué ver con la teoría cinética molecular, la mecánica estadística, entropía y un sinfín de cosas que nos ayudan a comprender un poco más de este incomprendido mundo, pero de momento allí ya tienes una aproximación.
Pero, no tan rápido, un último detalle: No he dicho porque los labios abiertos en el aliento dan la sensación de un aire más caliente.
Error, no es que esté más caliente, de hecho, ese aire está a una temperatura muy aproximada a tus 37°C, no confundas hechos con lo que tú sientes, como te dije, no hay nada más estúpido que el cuerpo humano.
Resulta que tu cuerpo está a 37°C, pero tu piel rara vez está a esa temperatura. Recuerda que tu cuerpo intercambia energía con los alrededores en forma de calor, la vida misma es una lucha constante para mantener esos 37°C a la que los procesos bioquímicos de tu cuerpo realizan sus funciones de forma óptima.
La piel rara vez está a 37°C, constantemente está perdiendo calor a través de radiación y de convección con el aire que te rodea.
Dado que el aire que proviene dentro de ti está a una temperatura mayor que la de la piel, en el momento en que este la toca, tú crees que está más caliente. Esto es por la segunda ley de la termodinámica, que dicho mal y pronto nos dice que las cosas que son más calientes transfieren calor a las cosas que son más frías, y no al revés.
Tu piel, al tener una menor temperatura, «absorbe» energía del aire que exhalas a mayor temperatura. Esto te da la sensación térmica de que está más caliente, en efecto, estás experimentando una transferencia de calor.
De hecho, si la diferencia de temperatura fuera muy alta y tu piel fuera una buena conductora, podrías llegar a quemarte. Esto pasa cuando tocas los metales calientes, no es lo mismo quemarte con un metal a 70°C que con agua a esa misma temperatura, sin duda alguna el metal te dolerá más por el simple hecho de que es mejor conductor, transferirá tan rápido el calor que eso se reflejará en lo que tu cuerpo interpreta como una quemadura, daño celular, ¡toma esa!
Ya para despedirme, te voy a ilustrar eso último en un ejemplo más sencillo para ver si has estado prestando atención:
Es invierno, te levantas a las 3:00 am porque necesitas ir al baño, sin embargo, no encuentras tus calcetines. Vas a poner tus pies en el suelo, por suerte tienes una alfombra, ¿qué prefieres pisar?, ¿la alfombra o el suelo?, ¿qué está más frío?
Si pensaste que el suelo está más frío, ¡error!, ¿no recuerdas el principio cero?, si A es igual a B, y B es igual a C, forzosamente A es igual a C.
Tal vez me dirás que tú lo sientes más frío, ¿no?, ¿no recuerdas cuando dijimos que el cuerpo es estúpido?
La cerámica de tu suelo tiene pequeñas partículas de óxidos metálicos, en teoría, la cerámica es mucho mejor conductora que la tela de la alfombra. Tu cuerpo está a una temperatura mayor que la del suelo, ergo, tú vas a transferir calor. El qué tan rápido lo haces dependerá de qué tan buen conductor es el objeto, y, dado que la cerámica del suelo es mucho mejor conductora de calor… Sorpresa, pierdes calor de una forma más rápida y eso manda una señal eléctrica al cerebro que lo interpreta como algo más frío, aunque no sea así, porque obviamente el suelo, tu cama, la alfombra y todo, en teoría, están en equilibrio térmico con la temperatura ambiente.
A = B = C
Dígame maestra… ¿Todavía le resulta demasiado obvio?
Desde el soplido para enfriar la sopa hasta el suelo frío en invierno, la ciencia nos demuestra que detrás de lo obvio siempre hay algo complejo, y esa es la magia de todo este mundillo hecho para drogadictos y gente a la que le gusta sufrir mucho, como yo.
¡Nos vemos en el siguiente artículo!
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