¡Un globo convertido en calentador de manos!? Caliente al estirarse, frío al encogerse: la curiosa relación entre el caucho y el calor
Soy Ken Kuwako, entrenador de ciencias. Cada día es un experimento.
¿Sabías que basta con estirar un globo para sentir calor en la mejilla? Y cuando lo dejas volver a su forma original, se siente sorprendentemente frío. Lo único que necesitas es un globo. Nada más. Con algo tan sencillo puedes experimentar en tu propia piel conceptos de la termodinámica.
Hace poco realicé este experimento en una clase universitaria de termodinámica y hasta los adultos reaccionaron con un espontáneo «¡Guau!». Hoy vamos a descubrir la curiosa relación entre el caucho y el calor.
La receta científica: sentir la temperatura con un globo
Material necesario: un globo (uno de una tienda de cien yenes sirve perfectamente).
Empecemos con el método más sencillo.
Método 1: estirar y soltar
① Coloca un globo sin inflar sobre tu mejilla (o sobre otra zona sensible de la piel, como los labios) y observa su temperatura inicial.
② Sin retirar el globo de la mejilla, agárralo con ambas manos y estíralo rápidamente.
③ Manteniendo el globo estirado contra la mejilla, afloja la tensión y deja que vuelva lentamente a su forma original.
Resultado: ¿Qué notaste? Al estirarlo en el paso ②, el globo debería sentirse más caliente. En cambio, cuando volvió a encogerse en el paso ③, seguramente lo sentiste más frío.
Una versión aún más espectacular: inflar el globo
El método anterior funciona muy bien, pero si quieres percibir el cambio de temperatura de forma más intensa, prueba inflando el globo. Puedes hacerlo con algún familiar o amigo para que la experiencia sea aún más divertida.
Método 2: inflar y desinflar
① Coloca un globo desinflado sobre la mejilla de un niño o de un familiar.
② Manteniéndolo pegado a la mejilla, infla el globo de un soplido.
③ Pregunta qué sintió la persona. Lo más probable es que responda: «¡Está caliente!».
④ Ahora, manteniendo el globo inflado contra la mejilla, deja escapar el aire poco a poco.
⑤ Pregunta nuevamente qué siente mientras el globo se desinfla.
Resultado: Esta vez el efecto suele ser todavía más evidente. Al inflarlo se siente calor, pero al desinflarlo el globo llega a sentirse sorprendentemente frío. Es un efecto realmente impactante que vale la pena experimentar.
¿Por qué ocurre? El “apretujón” de las moléculas de caucho
Ambos experimentos se explican por el mismo principio. Aunque parezcan simples, están relacionados con un concepto de termodinámica llamado cambio adiabático, que suele estudiarse en física de nivel avanzado.
Para entenderlo mejor, imaginemos que somos las moléculas del caucho que forman el globo.
El caucho está compuesto por largas cadenas moleculares que normalmente se encuentran desordenadas y moviéndose libremente.
Cuando estiramos el globo (por qué se calienta)
Al tirar del globo, obligamos a esas moléculas que antes se movían libremente a alinearse en una dirección determinada.
Es como si un grupo de niños estuviera jugando libremente en un enorme parque y, de repente, todos fueran obligados a entrar en una pequeña aula abarrotada. Las moléculas pierden libertad de movimiento y esa “incomodidad” se transforma en energía térmica que se libera al exterior.
Por eso el globo se calienta.
Cuando el globo vuelve a encogerse (por qué se enfría)
Cuando dejamos de estirarlo, las moléculas recuperan su libertad.
Es como si las puertas del aula se abrieran de golpe y todos pudieran volver a correr libremente. Para recuperar ese movimiento desordenado necesitan energía, y la toman del entorno en forma de calor.
¿De dónde obtienen ese calor? Exactamente: de tu mejilla.
Al perder calor, tu piel percibe una sensación de frío.
Referencia: 【KEK Essay #29】¿Por qué el caucho vuelve a su forma original?
https://www.kek.jp/ja/topics/20200715-2
Este fenómeno tiene nombre: el efecto Gough-Joule
El hecho de que el caucho se caliente al estirarse rápidamente y se enfríe al contraerse recibe el nombre de efecto Gough-Joule.
Fue observado por primera vez por Gough en 1805 y posteriormente estudiado en detalle por Joule.
Las cadenas poliméricas del caucho prefieren naturalmente estar en un estado desordenado, es decir, con alta entropía.
Al estirar el caucho
Forzamos a las cadenas a alinearse, reduciendo su entropía. El trabajo realizado se transforma parcialmente en calor, que se libera al entorno.
Al contraerse
Las cadenas intentan volver a un estado más desordenado. Para ello absorben energía del entorno, lo que produce enfriamiento.
Los muelles metálicos recuperan su forma gracias a las fuerzas eléctricas entre átomos, un mecanismo que apenas depende de la temperatura. En cambio, la elasticidad del caucho surge de una fuerza estadística que tiende a maximizar la entropía. Por eso, cuanto mayor es la temperatura, más intensa es su tendencia a encogerse.
Esta es una de las características más fascinantes de la elasticidad del caucho.
Además, el sitio NGK Science Site presenta experimentos en los que se calienta y enfría una banda de goma. El resultado es sorprendente: al calentarla, la goma se encoge.
Cuando una goma está estirada, sus moléculas solo pueden adoptar configuraciones limitadas. Al contraerse recuperan muchas más posibilidades de movimiento. Como la materia tiende a estados con mayor libertad cuando aumenta la temperatura, una goma estirada se encoge al calentarse.
Sentir la ciencia es el primer paso para comprenderla
En ciencia ocurre con frecuencia que un fenómeno resulta fácil de observar pero difícil de explicar en profundidad.
Sin embargo, el verdadero comienzo está en preguntarse: «¿Eh? ¿Por qué sucede esto?» y experimentarlo con los propios sentidos.
Con un simple globo puedes empezar hablando de termodinámica, pasar por la entropía y terminar explorando tecnologías avanzadas de refrigeración. Esa conexión inesperada entre ideas es precisamente una de las mayores maravillas de la ciencia.
Si quieres ver este fenómeno observado con una cámara termográfica, consulta el siguiente artículo:
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