Especial 4 LOS ESTADOS DE LA MATERIA
Las leyes de la termodinámica y el cero absoluto se determinaron en función de los gases. La licuación de estos constituye la base de lo que conocemos como refrigeración

La palabra gas está en el aire, que es una mezcla de gases (cuatro partes de nitrógeno por una de oxígeno). Además lo está en sentido figurado, con la llegada del gas de Camisea, por lo que convendría refrescar nuestros conocimientos sobre el tema. El gas es uno de los estados de la materia

cuyas moléculas pueden estar firmemente unidas en un sólido, fluir en un líquido o rebotar 'sueltas' en el espacio en un gas. Hay una forma más, que es el gas ionizado llamado plasma (*).

Llamamos gas al estado libre de la materia cuyas moléculas no están unidas y se mueven independientemente, por lo que ocupa todo el espacio disponible.

El nombre de gas data del siglo XVII, cuando el químico flamenco Juan Bautista Van Helmont lo bautizó 'caos', que en flamenco se escribe gas. Van Helmont denominó gases a los elementos que se mantienen gaseosos a temperatura de ambiente; aquellos que deben calentarse para convertirse en gas los llamó vapores.

Para los investigadores, los gases tuvieron un interés especial porque son más fáciles de estudiar cuantitativamente que los líquidos y sólidos. Por esto, ya en el siglo XVIII, el físico francés Jacques Charles descubrió que al enfriar un gas disminuía su volumen a razón de aproximadamente doscientos setenta y tresavo por cada grado, lo cual tenía como consecuencia una deducción irracional: al llegar a -273 grados centígrados el gas desaparecía. La deducción lógica era que la ley establecida por Charles dejaría de cumplirse en algún momento, lo que no se podía comprobar porque no había los medios para obtener las bajas temperaturas necesarias.

Como también se había observado el fenómeno contrario --al subir la temperatura el volumen de los gases aumenta-- al formularse la teoría atómica se pudo explicar el comportamiento de los gases. Si los gases constan de moléculas(**), su presión depende de la velocidad con la que se mueven, y cuando más alta la temperatura mayor es la velocidad. Así, cuanto más caliente necesita más espacio para moverse o, dicho en otra forma, tiene más fuerza para abrirse espacio.

EL CERO ABSOLUTO
Sobre la base de la teoría planteada y de las mediciones de Charles, el físico inglés Lord Kelvin planteó una teoría: que la energía promedio de las moléculas disminuían con cada grado de enfriamiento. Por consiguiente, al

llegar a -273ºC no había energía y sería el cero absoluto (***), también conocido como el cero de Kelvin. Esto sirvió, asimismo, para establecer una nueva escala térmica en grados Kelvin, en que el cero de nuestra escala (en grados centígrados) está a 273 grados y el agua hierve a 373 grados a nivel del mar.

Como se había demostrado que calentando líquidos estos se convierten en gas, los físicos experimentaron con el proceso contrario: comprimir gases para licuarlos. En 1820, el físico inglés Michael Faraday descubrió que a temperatura ambiente, sometiéndolos a presión, podía licuar el amoníaco y el anhidrido sulfuroso. Al reducir la presión el gas se evapora y enfría. Esto dio la pauta para un sistema de refrigeración que consiste en bajar la temperatura evaporando un gas licuado por compresión.

Pronto se descubrió que había gases que, por más que se los comprimiera, no se licuaban. Este es el caso de los gases del aire, oxígeno y nitrógeno, y también del hidrógeno y el metano (el gas de Camisea). En 1839, con una serie de experimentos comprimiendo y evaporando gases, se descubrió que para cada uno hay una determinada temperatura por encima de la cual no se licúa por más que se comprima. Este fenómeno fue explicado por el físico holandés Johannes Vandervaal, quien, por su trabajo sobre la temperatura crítica de los gases, recibió en 1910 el Premio Nobel.

LA LICUACIÓN
El primer proceso para formar hielo mecánicamente lo descubrió el químico escocés William Cullen, a mitad del siglo XVIII, formando un vacío sobre recipientes con agua que, al evaporarse, bajaba la temperatura quedando congelada una parte. A partir del descubrimiento de la temperatura crítica de los gases se perfeccionó un método para lograr temperaturas cada vez más bajas. El proceso comienza con un gas fácil de licuar por compresión, que luego se evapora para licuar uno más resistente y así sucesivamente.

Con este sistema, comenzando con anhidrido sulfuroso, siguiendo con anhidrido carbónico y así sucesivamente, se logró licuar a fines del siglo XIX el oxígeno a una presión de 500 atmósferas. Hoy sabemos que a la presión a nivel del mar (una atmósfera), el oxígeno se licúa a -183º C. Con el proceso de compresión y evaporación se logró licuar aun los gases de temperatura crítica más baja. El gas natural, metano (CH4) se licúa a menos 161,6º C y el nitrógeno a -195º C.

El hidrógeno, el elemento más liviano, resultó ser el más difícil de licuar y recién en 1900, el químico escocés James Dewar, inventor del termo, logró licuar hidrógeno comprimido a -200º C. Finalmente, con una serie de evaporaciones sucesivas se comprobó que el hidrógeno se licúa a -240º C sin comprimirlo. Para entonces ya se había logrado licuar aire (oxígeno y nitrógeno) para fines comerciales. Esto permitió desarrollar la soldadura, que usa tanto nitrógeno como oxígeno.

EL AIRE ACONDICIONADO
El método para producir hielo dio la pauta para la refrigeración comercial. A principios del siglo XIX, Jacob Perkins patentó en Inglaterra el uso del éter para refrigerar. Luego se emplearon otros gases, como el amoníaco con el inconveniente de que eran tóxicos. Fue el estadounidense Thomas Midgley quien, luego de una serie de experimentos, en 1930 produjo un gas ideal para refrigerar --un clorofluorocarbono (Cl2CF2)-- que llamó 'freón'. Este es el gas que permitió la expansión del aire acondicionado.

Hoy, a raíz de un acuerdo tomado en 1987 en Montreal por 180 países, el freón está siendo reemplazado por otros gases. A pesar de ser incoloro, indoloro, insípido y completamente inocuo a la salud, el freón sube hasta la alta atmósfera donde produce una cadena de reacciones químicas que destruyen la capa de ozono. A raíz del descubrimiento del hueco en la capa de ozono sobre la Antártida, se ha decidido que ya no siga en uso.

A dos de los elementos esenciales para la vida, el oxígeno y el nitrógeno, los conocemos en forma de gas, que es el aire que respiramos. Los gases combustibles los tenemos comprimidos en cilindros, a otros gases los conocemos por su olor cuando son producto de la combustión o la evaporación de algún líquido. Al plasma, el gas ionizado, lo vemos en el Sol y las estrellas, pues forma más del 99% del 4% del Universo que conocemos.

Aún no sabemos lo que es la materia y la energía negra que forman el 96% restante. Del plasma, así como de los gases combustibles nos ocuparemos próximamente.

(*) El plasma es un gas cuyos átomos han perdido por lo menos un electrón, por lo que es electro-conductor y responde a los campos magnéticos. Las auroras boreales son plasma atrapado en el campo magnético de la tierra.

(**) Por ejemplo: el oxígeno del aire (O2) es una molécula de dos átomos.

(***) Según las mediciones modernas, el cero absoluto se estableció en -273,16 grados centígrados.