¿Se ha preguntado alguna vez cuál es la temperatura más alta que se alcanza en algún punto de su casa? Si se lo está preguntando ahora, ya le adelanto la respuesta: no es en el horno de su cocina. El interior del horno de una cocina a pleno funcionamiento alcanza unos modestos 230 ºC o grados Celsius,
–así denominados en honor de Anders Celsius, un físico sueco, inventor de la escala de temperaturas que lleva su nombre– aunque las paredes pueden encontrarse a una temperatura considerablemente mayor.
Cuando se calienta agua hasta que hierve, ésta alcanza una temperatura próxima a los 100 grados Celsius siempre y cuando nos encontremos cerca del mar. En ciudades situadas a gran altura el agua hierve a temperaturas más bajas, a 97 ºC en Salamanca, por ejemplo, una ciudad situada a 800 m sobre el nivel del mar. Como curiosidad, a la orilla Mar Muerto, el agua hierve a 101 ºC, pues este lago salado se encuentra a 300 m por debajo del nivel del mar. Bajo una presión atmosférica de 101 300 Pa –pascales, así denominados por Blaise Pascal, físico y matemático francés– (la antigua unidad, ya en desuso, de 1 atm), el agua hierve a 99,94 ºC, por lo que ya no se puede decir aquello de que el agua hierve a cien grados.
Cuando el agua se hace hervir en una moderna olla a presión, puede alcanzar los 120 ºC, lo que favorece la cocción de los alimentos y su posterior digestión. Fue Papin, un físico francés, el inventor de la olla a presión, precursora en el tiempo de las máquinas de vapor. Algunas de ellas se pueden ver todavía en museos de ciencia.
Hay que buscar en otros lugares de la casa para observar temperaturas más altas. Las llamas de las velas de cera o parafina, en su parte más amarilla, alcanzan temperaturas próximas a los 1000 ºC, una temperatura alta pero que, por ejemplo, no permite fundir el vidrio. El color amarillo de las llamas de las velas está producido por minúsculas partículas de carbón –que forman el hollín que se observa si se coloca un vidrio encima de la llama–, incandescentes.
La llama de un mechero de alcohol ya puede alcanzar los 1500 ºC y fundir el vidrio común. También la llama del butano sería capaz de fundir el vidrio, por lo que las cazuelas de vidrio que se utilizan en cocina están fabricadas en vidrios especiales que aguantan temperaturas de hasta 2000 ºC. En estos quemadores la combustión es más efectiva y apenas producen hollín.
Si hasta ahora la química, la combustión de butano o de propano, nos ha permitido alcanzar altas temperaturas, la electricidad permite alcanzar temperaturas mayores. Si se fabrica un filamento enrollando con un hilo de hierro, como en aquellos antiguos hornillos de cocinar, y se hace pasar corriente
eléctrica de bajo voltaje por él, al principio el filamento se calienta, lo que se puede notar acercando la mano, pero no luce. A medida que se le aplica mayor voltaje, el filamento empieza a brillar con un tono rojizo, pasando después a un color anaranjado, un color semejante al que tiene una vela encendida. Si se sigue aumentando el voltaje, el filamento va adquiriendo un color más azulado, semejante al de la llama del butano y si se sigue aumentando el voltaje, tendrá un color más blanco, se alcanzarán los 1535 ºC a los que el hierro se vuelve líquido y el filamento, literalmente, se fundirá.
La relación de los colores es importante, pues, muy aproximadamente, cuerpos incandescentes que presentan el mismo color tienen la misma temperatura, un descubrimiento muy importante en la historia de la física. Esta relación entre el color y la temperatura nos lleva a una interesante reflexión sobre la iluminación artificial. Cuando a finales del siglo XVIII se empezaban a iluminar
las ciudades por la noche, se planteó el problema de cómo conseguir una iluminación lo más natural posible. Puesto que para un ser humano el Sol proporciona la iluminación más adecuada, nuestros ojos están adaptados al Sol de una manera muy precisa, y puesto que la corona solar, que es la que ilumina la Tierra, se encuentra a unos 6000 ºC, de acuerdo con la anterior relación entre el color y la temperatura, si se quiere una iluminación semejante a la del Sol se necesita un material que pueda alcanzar la temperatura del Sol cuando se haga circular corriente eléctrica por él. Desgraciadamente, no existen materiales conductores de la electricidad que puedan alcanzar esas temperaturas sin fundirse.
El material que alcanza temperaturas más altas sin fundirse es el diamante. Pero el diamante, aparte de caro, no conduce la electricidad. Sin embargo, el diamante, que es carbono puro cristalizado, tiene un pariente, mucho más barato, qué si conduce la electricidad, aunque es un poco frágil, el grafito, el material del que están hechos los lápices escolares. El grafito puede alcanzar los 4000 ºC sin fundirse, pero presenta el problema de que se quema al aire, como cualquier carbón. Por eso, los primeros investigadores en iluminación tuvieron que colocar los filamentos dentro de bombillas de vidrio de las que habían extraído el aire. El mérito de T. Alva Edison, que no fue el verdadero inventor de la lámpara de incandescencia, pues J. Wilson Swan la patentó en 1878, fue utilizar carbono
en los filamentos de sus bombillas para poder alcanzar altas temperaturas y que la luz emitida fuera muy blanca.
Pero el grafito es muy difícil de trabajar para hacer con él filamentos y se abandonó a favor de un metal que, aunque no permitía alcanzar temperaturas tan altas, sí era más fácil de trabajar en forma de filamentos. Este metal es el wolframio, y se vuelve líquido a 3422 ºC. Así, gracias a este elevado punto de fusión, el filamento de una bombilla de incandescencia se encuentra a
la sorprendente temperatura de unos 2800 grados Celsius.
Sin embargo, ésa no es la temperatura más alta que se alcanza en su casa. En una bombilla halógena se alcanzan todavía temperaturas más altas, próximas a los 3000 ºC. El bromo, un elemento químico de la familia de los halógenos, captura los átomos del wolframio que se evaporan del filamento, reaccionando
químicamente con ellos, impidiendo que alcancen las paredes de vidrio de la bombilla y evitando ese aspecto negruzco de las bombillas de incandescencia que llevan mucho tiempo en uso. Cuando el bromuro de wolframio, que es un gas, choca con el filamento incandescente, se rompe y devuelve el wolframio a filamento. De esta forma se evita que el filamento adelgace y que la bombilla se funda, pudiéndose alcanzar temperaturas más altas, más próximas a las del Sol, y obtener así una luz más blanca.
Como el wolframio se encuentra a tan alta temperatura, parte de sus átomos van evaporándose, abandonando el filamento, con lo que éste se va haciendo cada vez más delgado. Y como todo estudiante de física sabe, al disminuir su sección el filamento aumenta su resistencia eléctrica, aumentando la intensidad de
corriente que circula por él y, al final, la temperatura. Por eso, en cuanto el filamento ha adelgazado lo suficiente en un punto, en ese lugar aumenta rápidamente la temperatura, alcanzándose la temperatura de fusión el wolframio. Éste es el momento en que decimos que la bombilla se funde, literalmente es lo que le sucede al metal, y se observa un destello de luz muy blanca.
Respecto de España el wolframio tiene una historia curiosa. En la Tabla Periódica de los Elementos, que todo estudiante de química conoce, hay muchos nombres de elementos químicos, polonio, francio, germanio, indio, etc., que hacen referencia a países. No hay ningún elemento que haga referencia a España, a pesar de que el wolframio fue obtenido por primera vez en 1783 por Juan José y Fausto Elhúyar, dos científicos guipuzcoanos. Sin embargo, el mérito se lo llevaron los científicos suecos que anticiparon que el mineral tungsteno –piedra negra en sueco– debía contener un elemento químico no conocido por entonces.
Las bombillas de incandescencia tienen una efectividad lumínica muy baja, pues menos del 10 % de la energía eléctrica que se les proporciona se transforma en luz. El resto se pierde en forma de calor, razón por la que todavía se utilizan en granjas de pollos para calentar a los pollitos recién nacidos. Los países más avanzados, Australia ha sido el primero, están adoptando planes para sustituir todas las bombillas de incandescencia por bombillas de bajo consumo. El Gobierno de Cantabria también se ha sumado a esta iniciativa. Si se consideran los millones de bombillas de incandescencia que se utilizan, el ahorro por su sustitución puede ser muy considerable.
