Indudablemente, el clima es uno de los factores que más determinan las posibilidades de desarrollo de los ecosistemas y cualquier variación más o menos sustancial del mismo condiciona sus posibles vías de evolución. Pero a su vez, el clima de una región determinada también se halla regulado por los efectos de interacción que genera el ecosistema propio de esa región. Las distintas posiciones de equilibrio hacia las que evoluciona un ecosistema son influencias determinantes en lo que por el momento llamaremos microclima. Entenderemos en primera instancia como macroclima al conjunto de variables climáticas y a las condiciones que determinan, cuando éstas se extienden en regiones lo suficientemente extensas del Planeta como para justificar su análisis a escala global. Por el contrario, hablaremos de microclima cuando las condiciones analizadas sean propias de una región particular, de extensión pequeña con respecto al Planeta.

Indudablemente, el clima de nuestro Planeta ha cambiado muchas veces a lo largo de los más de 3500 millones de años con que cuenta. Pero sólo en los primeros 500 millones de años podríamos suponer que los cambios fueron debidos exclusivamente al progresivo enfriamiento del Planeta o a cualquier otra causa puramente física. Hace unos 3000 millones de años aparecen los primeros organismos simples en los mares, suerte de membranas autoduplicables con actividad enzima-tica propia. A partir de ahí, las características del agua de los mares se verán inevitablemente influidas por la actividad de estos organismos. Pensemos que más del 90% del oxígeno de nuestra atmósfera se generó (y aún hoy se genera), a partir de la actividad fotosintética de las algas unicelulares que pueblan la superficie de los mares.

Sabiendo que los fenómenos climáticos ocurren mayoritariamente en la troposfera, ¿podríamos imaginar cómo sería nuestro clima si en lugar de oxígeno hubiera metano, amoníaco o sulfuro de hidrógeno, como en otros planetas? ¿Qué tipo de variaciones sufriría si simplemente la troposfera fuera un 20% más delgada? ¿Y si el agua de mar se evaporara más rápido o se congelara con más facilidad?

A partir de ahora comenzaremos a dar algunas respuestas y veremos cómo y de qué manera agua, aire y suelo interaccionan y se modifican mutuamente. Partiremos de algo muy sencillo, el agua y los cambios de estado.

LOS ESTADOS DE LA MATERIA.

Si nos piden que pensemos en un cuerpo constituido por hierro seguramente materializaremos nuestro pensamiento imaginando un clavo, una tuerca o algún otro objeto cuya característica es la de estar en estado sólido. De la misma manera, si pensamos en aire inmediatamente lo asociamos con el estado gaseoso. Pero, posiblemente, si hablamos de vapor de hierro y de aire sólido, en un primer momento estamos tentados de rotular de absurda a esta combinación; sin embargo, el vapor de hierro y el aire sólido existen en la naturaleza aunque en condiciones no ordinarias.

El estado de una sustancia está determinado por dos características: su presión y su temperatura.

Analizando los intervalos de valores en los que estos dos factores oscilan en nuestra vida, vemos que los mismos presentan poca variabilidad. En efecto, la variación de la presión del aire oscila en una atmósfera, lo que representa un pequeño porcentaje del valor medio y si hablamos de la temperatura del aire, los valores para la misma -en general- se encuentran en un intervalo de -10°C y + 40°C, el cual también representa un rango de variabilidad no muy elevado.

Estar acostumbrados a estas condiciones ordinarias es lo que nos hace dudar en la creencia de que exista hierro gaseoso y aire líquido, ya que por supuesto bajo las mismas, el hierro se presenta en estado sólido y el aire en estado gaseoso. Sin embargo, aunque nunca hallamos visto el hierro en estado gaseoso y el aire en estado líquido es posible creer en su existencia y aún más pensar en que cambiando la temperatura es posible obtener cualquier sustancia en uno de sus estados físicos.

Es el agua, cuya presencia en fase sólida, líquida y gaseosa, se manifiesta en forma permanente en la naturaleza, la que nos ayudará a comprender las condiciones en las que se efectúan los cambios de estados de las sustancias.

SÓLIDOS, LÍQUIDOS Y GASES.

Entre las moléculas de las sustancias actúan dos tipos de fuerzas: las de cohesión -que tienden a impedir la separación de las moléculas-y las fuerzas repulsivas -que tienden a separarlas. Según predomine una u otra fuerza estaremos en presencia de uno de los tres estados físicos: sólido, líquido y gaseoso.

Los gases son cuerpos homogéneos, es decir, encerrando una sustancia gaseosa en un recipiente la misma ocupa todo el espacio disponible y sus propiedades son las mismas en cada punto de dicho espacio y, en consecuencia, perfectamente definidas.

Las propiedades de los gases son interpretadas por la teoría cinética molecular, basada en la hipótesis de que los mismos están constituidos por moléculas en incesante y muy rápido movimiento en todas las direcciones. En este andar caótico, las moléculas chocan entre sí y contra las paredes del recipiente, dando origen a una de las características de este estado que es la de ejercer presión contra las paredes del recipiente que los contiene.

El efecto opuesto a esta conocida expansión de los gases es la comprensión y al respecto, los gases son fácilmente compresibles, es decir, ejerciendo presiones moderadas es factible realizar una importante disminución de volumen.

Admitido éste como modelo representativo para el estado gaseoso de una sustancia, es posible explicar cómo se mezclan las moléculas de diferentes gases en todos los sentidos de manera tal que los choques establecen entre sí cierto estado de equilibrio medio. La propiedad que acabamos de explicar se denomina difusión y es ella, por ejemplo, la que nos permite sentir el aroma de un perfume que al evaporarse lentamente se difunde en el aire que respiramos posibilitando de esta manera que nuestros sentidos puedan captarlo.

Pero a esta distribución regida exclusivamente por el movimiento y choque molecular debe agregarse otro factor regulador en la distribución de las moléculas: la fuerza de atracción gravitatoria. Cuando el espacio ocupado por el gas es pequeño como el caso del recipiente mencionado, dicha acción es insignificante, pero si se trata de una masa de gran volumen como la atmósfera, tal influencia deja de ser despreciable y las moléculas se acumulan en la parte inferior, en mayor número. La masa gaseosa pierde así, su homogeneidad y en el caso de la atmósfera encontramos aire cada vez más enrarecido a medida que nos elevamos.

Las moléculas de un líquido están animadas de movimiento vibratorio, irregular y muy rápido, constantemente contrariado por la proximidad de otras moléculas. Una molécula está en un momento rodeada de otras entre las cuales se agita, y cuando su movimiento la dirige hacia una parte donde las moléculas se encuentran relativamente separadas abandona las atracciones que éstas ejercían sobre ella y cae bajo la influencia de otras a las que abandonará momentos después. Es decir, podríamos admitir que cada molécula se encuentra bajo el accionar de las moléculas inmediatas y que tales acciones son atracciones desde cierta distancia máxima denominada radio de acción molecular, hasta cierta distancia sumamente pequeña a partir de la cual se convierten en repulsiones.

Dentro de las características observables para los líquidos mencionaremos la poca compresibilidad que los mismos presentan, es decir, es necesario ejercer presiones muy altas para lograr una pequeña reducción en su volumen. El modelo molecular propuesto nos dirá que esto es así debido a que las partículas de un líquido no están muy separadas, sino en contacto permanente por lo que agruparlas es prácticamente imposible sin causar deformaciones en las mismas partículas, lo que requiere obviamente) una presión elevadísima. Además diremos que un líquido se difunde en otro pero en forma mucho más lenta que los gases; sin embargo, la difusión existe y hasta puede medirse la velocidad con que se realiza. Pero también los sólidos pueden disolverse en un líquido y difundirse en el mismo. Nuevamente, el modelo molecular aceptado para los líquidos acude a nuestra ayuda para poder explicar lo observado y es así como afirmamos que las moléculas de un líquido no se mueven tan libremente como las de un gas, pero están en continuo movimiento deslizándose unas sobre las otras, atrayéndose pero no unidas rígidamente.

De los modelos moleculares presentados para un líquido y para un gas se deduce que aproximando las moléculas de una masa gaseosa, es decir, disminuyendo su volumen es como se debe intentar transformarla en líquido. Análogamente, si deseamos transformar una sustancia líquida en gaseosa deberemos realizar procedimientos inversos. Sea cualquiera de los dos cambios de estados el que consideremos, las condiciones para la transformación dependerán de la temperatura y de la presión entre las moléculas.

Hemos mencionado la poca compresibilidad que presentan los líquidos, ahora dirémos que todavía es mucho más difícil comprimir los sólidos. Este hecho se explica admitiendo para este estado un modelo en el cual las moléculas se encuentran en "contacto" unas con otras y fuertemente unidas, de manera tal que reducir el volumen de un sólido es a expensas de las deformaciones de las partículas que lo constituyen. El fenómeno de difusión también se observa en los sólidos, es así como si se colocan dos placas planas y pulidas de cinc y de cobre, al cabo de un año se verá cómo parte de un metal penetra en el otro. Lo observable puede ser explicado a partir de la existencia de un movimiento, aunque muy limitado, entre las moléculas del sólido.

Ahora bien, de todo lo que hemos dicho podemos inferir dos nociones sumamente importantes en las que se apoya el modelo molecular. Primero, a cada estado de agregación de la materia le corresponde una cierta cantidad de espacio libre disponible para el desplazamiento de las moléculas. Segundo, en cada estado existe una cierta "cantidad de movimiento" de las moléculas característica de cada sustancia, de forma tal que a la fase de vapor le corresponden los valores más altos y a la fase sólida, los más bajos.

Si prestamos atención a lo puntualizado y, aceptando que las moléculas son la menor porción de sustancia que conservan tanto su independencia como sus propiedades específicas, veremos que todo puede reducirse a un principio muy simple:

"Todas las moléculas, sean del tipo que fueren, se hallan en movimiento permanente. No existe ninguna partícula en el Universo que pueda considerarse en reposo absoluto".

Por lo tanto, el punto clave de los cambios de estado consiste en la manera en la que las moléculas de una determinada sustancia aumentan o disminuyen la "intensidad del movimiento" que poseen. Una de las cuestiones que debemos zanjar antes de continuar con esto es la forma en la que puede medirse o estimarse esta intensidad de movimiento.

Existe una magnitud física que se denomina trabajo y que podemos definir como el efecto de desplazamiento de un cuerpo. Cada vez que un cuerpo cualquiera se mueva de un lugar a otro, ya sea un elefante, una hormiga, una cadera o un minúsculo grano de polvo, habrá realizado una cierta cantidad de trabajo. Por supuesto que no es lo mismo cargar en brazos a lo largo de una cuadra a un delicado bebé que a una suegra (si alguno tiene dudas lo invitamos a realizar la experiencia). Podemos asegurar entonces que la magnitud del trabajo realizado depende de la "masividad" del cuerpo que debe ser desplazado y, claro está, de la distancia que debe recorrerse.

Como vemos, el trabajo está íntimamente relacionado con el movimiento, aunque no nos dice absolutamente nada con respecto a la rapidez con que éste se realiza. Existe otra magnitud física que se denomina energía mecánica: En general podemos definir a la energía de un cuerpo como la capacidad que posee de generar trabajo. Como todo cuerpo en movimiento tiende a mantenerlo de no mediar alguna acción exterior que lo detenga (principio de inercia) podemos pensar que posee cierta cantidad de energía que le permite mantener su estado de movimiento. Cuanto mayor sea su velocidad, más energía deberá poseer para mantener su desplazamiento, y viceversa. A esta variante de la energía mecánica se la denomina energía cinética y resulta casi obvio que cuanto mayor sea la energía cinética de un cuerpo, mayor será su capacidad de realizar trabajo y mayor será su velocidad relativa.

Como todo lo expuesto es válido para cualquier cuerpo, resulta ser que la energía cinética de una molécula nos da el mejor indicador de la intensidad de su estado de movimiento. De esta forma, podemos asociar a cada estado particular de la materia con ciertos valores de energía cinética que deben tener las moléculas de una sustancia para permanecer en ese estado. Estos valores de energía son característicos de cada sustancia y siempre los valores más altos corresponden al estado gaseoso y los más bajos, al estado sólido.

Recordemos entonces que: cuanto más rápido se mueva una molécula, mayor será su energía cinética.

Cuando comenzamos el desarrollo del tema de esta nota responsabilizamos al calor como agente desencadenante de los cambios de estado. En este momento nos encontramos en condiciones de añadir que cuando se entrega energía calórica a una sustancia la misma eleva su energía cinética. Una de las formas en que se manifiesta este aumento de energía es a través de la temperatura, de manera tal que a una misma sustancia le corresponde una determinada energía cinética para cada estado térmico que ella manifieste. De la misma manera, la pérdida, de energía cinética molecular de una sustancia, se realiza a través de calor que se disipa con el consiguiente enfriamiento de la sustancia.

Una elevación de la temperatura produce un aumento en la energía cinética de las partículas, la cual indefectiblemente afectará las fuerzas de atracción moleculares. Si la energía que recibe el cuerpo es suficiente para vencer las atracciones propias del estado en que se encuentra, la sustancia exhibirá las características de otro estado físico y estaremos en presencia de un cambio de estado producido por el calor entregado a la sustancia.

Análogamente, una pérdida de calor y consecuente enfriamiento de la sustancia ocasiona una disminución de energía cinética molecular. Las moléculas se moverán más lentamente, lo que favorecerá la atracción molecular, de manera tal que si la temperatura disminuye lo suficiente para que la sustancia manifieste las características de otro estado, estaremos nuevamente en presencia de un cambio de estado producido por el calor cedido por la sustancia.
Las siguientes experiencias pueden parecer demasiado sencillas; sin embargo, permiten visualizar fenómenos que se explican a partir de la teoría cinética molecular y por ende, valga nuestra ambiciosa pretensión, es factible la "materialización" del modelo molecular descripto.

•  Repartir entre grupos de alumnos dos o tres puñados de garbanzos y tres bolsitas plásticas.

•  Explicar a los chicos que los garbanzos son las partículas que componen una determinada sustancia y que en cada bolsita representen el modelo molecular de cada estado de agregación de dicha sustancia.

•  Es muy posible que nuestros alumnos nos representen cada situación de la siguiente forma:

• Pedir a los alumnos que expliquen la representación realizada.

EXPERIENCIA N°2: LA FUERZA DE ATRACCIÓN EN LOS LÍQUIDOS Y GASES.

•  Colocar un alambre doblado o un clavo, como muestra la figura.
•  Hacer caer 100 gotas de agua en un tubo de ensayo. Marcar el nivel del líquido recogido.
•  Repetir la operación con aceite y alcohol.
•  ¿Qué ocupa más lugar, las gotas de aceite, de agua o de alcohol?
•  Admitiendo que una gota es la menor cantidad de sustancia que puede quedar suspendida y analizando el tamaño de las gotas de alcohol, agua y aceite, predecir en qué líquido las partículas se atraen más?
•  Si pasamos de los líquidos a los gases, ¿se agrupan los gases en gotas? ¿Cómo se explica teniendo en cuenta las fuerzas de atracción entre las partículas?

EXPERIENCIA N°3: EL MOVIMIENTO DE LAS MOLÉCULAS DE LOS LÍQUIDOS Y LA INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA.

•  Colocar en un recipiente agua a temperatura ambiente, inmediatamente dejar caer una gota de tinta en el mismo. Observar como la tinta se difunde en el agua. ¿Qué pone de manifiesto este hecho?
•  Repetir el procedimiento anterior pero colocando, ahora, agua muy caliente. Observar si se produce la difusión de la tinta y comparar la velocidad con que la misma lo hace con respecto al paso anterior.
•  Repetir la experiencia utilizando agua casi helada. Observar el fenómeno de difusión y comparar la velocidad con que se produce, en este caso, con las observadas en las instancias anteriores.

Por Claudia Viola y Alejandro Lino
Extraído de revista “La Obra” nº 945 pág 54