LA SUYA

La escena invernal pintada por Pieter Brueghel en el cuadro Cazadores en la nieve (1565) era una imagen común a finales de la Edad Media. Estanques, lagos y ríos se congelaban con regularidad en el norte de Europa, durante un periodo inusualmente frío llamado Pequeña Glaciación, que duró desde mediados del siglo XVI hasta mediados del XIX. El río de Londres, el Támesis, se convirtió en el escenario temporal de ferias y mercados, con su lenta corriente oculta bajo una gruesa capa de hielo.

Teniendo en cuenta que el agua condiciona todas nuestras ideas preconcebidas sobre los líquidos, es poco sorprendente que ninguno de los patinadores de Brueghel sintiera curiosidad por la tendencia de los lagos y los ríos a formar una capa helada en el invierno. A pesar de todo, es algo bastante raro como para que un líquido lo haga.

La gran mayoría de las sustancias son más densas cuando se solidifican que cuanto están en estado líquido. Esto es exactamente lo que se puede esperar cuando se piensa en lo que sucede a los átomos individuales y a las moléculas cuando la sustancia se derrite. En un sólido cristalino, los componentes están todos dispuestos de una manera regular y ordenada; en un líquido, ese orden se pierde, y los átomos componentes o las moléculas se mueven con relativa libertad. ¿Podría una habitación acoger a más personas si éstas acordaran alinearse de una manera estática y ordenada o si insisten en dar vueltas de un lado a otro? Sin duda, lo primero (la gente en movimiento suele ocupar más espacio, por lo general, que las que han consentido en permanecer quietas en posiciones fijas). Por lo tanto, se espera que un sólido cristalino contenga más átomos en un volumen dado -o sea, que tuviese mayor densidad- que el líquido correspondiente. Y esto es precisamente lo que encontramos: los líquidos tienden a contraerse y hacerse más densos cuando se congelan, en ocasiones hasta un diez por ciento.

Pero a diferencia de casi todos los demás líquidos, cuando el agua se congela se expande y vuelve menos densa. Si no fuese así, el mundo sería un lugar muy diferente. El Titanic jamás se habría hundido, ya que el hielo no flotaría en el agua y no habría icebergs. Tampoco sufriríamos inundaciones por las cañerías de agua reventadas durante el deshielo de primavera, ya que es la expansión del agua al convertirse en hielo la que causa la rotura. Los puentes de piedra y los edificios afrontan el mismo problema: el agua se infiltra en grietas minúsculas, se congela en las épocas de frío y se expande, ensanchando aún más la grieta y debilitando en ocasiones la estructura. Los acantilados rocosos se reducen a taludes deslizantes después de muchos siglos experimentando esos ciclos de congelación y deshielo.

Este comportamiento invertido durante la congelación es una de las muchas propiedades anómalas del agua. Sólo cuando comparamos el agua con otros líquidos menos familiares comenzamos a apreciar lo profundamente extraña que es. Ninguna de las intuiciones que hemos desarrollado a partir de nuestra experiencia del agua puede utilizarse para predecir y entender el comportamiento de los líquidos de una manera más general. Sería como tratar de hacer deducciones sobre la vida inglesa estudiando a los inquilinos del palacio de Buckingham. En este caso no se trata de escasez de información -probablemente sea la familia del país sobre la que más se ha escrito-, pero difícilmente habríamos podido escoger una familia menos representativa. Según Felix Franks, un raro experto en la física y la química del agua, "de todos los líquidos conocidos, el agua es probablemente la más estudiada y la menos comprendida".

EL LíQUIDO ANóMALO

Antes que nada, una confesión. Me he tomado ciertas libertades al iniciar este capítulo con la escena de Brueghel, y luego proseguí hablando de la expansión que ocurre durante la congelación del agua, como si pretendiera insinuar que una cosa explica la otra. La realidad es un poco más compleja, y pone en evidencia un ejemplo aún más raro y misterioso sobre la naturaleza anómala del agua. Es cierto que una capa de hielo flotando en agua líquida se hundiría como un bloque de granito si, como sucede con la mayoría de las demás sustancias, el sólido fuera más denso que el líquido. Ahora bien, la historia no acaba ahí; el enigma consiste en por qué el hielo se forma primero en la superficie de un lago, y por qué ese hielo no es lo suficientemente denso como para hundirse.

Consideremos lo que sería un estanque congelado si el agua fuera un líquido "normal". A medida que se congela durante el invierno, el calor irradia desde la superficie y la superficie de agua se vuelve más fría. En cualquier otro líquido, eso significaría que se volvería más densa.

Esto se debe a que la mayoría de las sustancias se expanden cuando se calientan y se contraen cuando se enfrían. Un motor arranca cuando un pistón caliente se expande por una fracción ínfima y se comprime en su cámara. Si colocamos la tapa a un bote de mermelada recién hecha, todavía caliente, se consigue un envase al vacío debido a la contracción del aire en la tapa del bote cuando se enfría. La expansión térmica tiene una explicación obvia a escala atómica: los átomos más calientes se mueven más libremente, y como promedio ocupan también más espacio.

En consecuencia, la densidad de una sustancia aumenta cuando se enfría, ya que el mismo número de átomos ocupa un espacio más reducido. Esto no es lo mismo que la densificación por congelación, aunque suene muy similar. En ese caso la sustancia cambia su estado -de líquido a sólido- y así cambia también completamente el ordenamiento de los átomos, de desordenados y móviles a regulares y fijos. Durante la expansión térmica normal, el estado de la sustancia no cambia -un pedazo de hierro a temperatura ambiente tiene la misma estructura cristalina que uno a 100 ºC. Lo que sucede es que cada átomo ocupa efectivamente mayor espacio. Pensemos otra vez en esa fiesta nuestra organizada de manera un tanto extravagante: si los invitados permanecen estáticos pero empiezan a gesticular, tendrán que apartarse ligeramente de sus vecinos para no chocar entre sí.

Esto se aplica igualmente a los líquidos: aun cuando sus átomos o moléculas estén en desorden y en movimiento, ocuparán más espacio cuando las altas temperaturas los obliguen a agitarse más, y de ese modo el líquido se expandirá al calentarse y se contraerá (densificará) al enfriarse. Cuando el líquido "normal" se enfría en la superficie de nuestro hipotético lago, se hará más denso y se hundirá. El estanque alcanzará un estado en el que se va haciendo más frío a medida que bajamos a lo profundo.

Esto

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