Termodinámica básica (VII)

Tras conocer todas las funciones termodinámicas en capítulos anteriores, conviene recordar que la energía es una magnitud fundamental del universo, si no la más importante de todas las magnitudes o características del mismo. Las funciones anteriores nos permiten realizar un juicio crítico de la actual situación energética mundial y pensar si las actuales fuentes de energía son realmente sostenibles o son un invento de algunos gurús que pretenden enriquecerse a costa de los honrados ciudadanos.

Como ya se vio en capítulos anteriores, la primera ley de la termodinámica admite que la energía se trasfiere de un cuerpo a otro o se transforma en otro tipo de energía mediante los mecanismos de calor y trabajo. También se aprendió que, mientras que el trabajo puede convertirse completamente en calor, el calor puede transformarse en trabajo sólo en parte, llegando a determinarse el concepto de rendimiento del proceso. El problema fundamental de la termodinámica es cómo aumentar este rendimiento lo máximo posible.

Cabría ahora preguntarse si justificacadamente las nuevas formas de energía (incluyendo las renovables) son fuentes energéticas sostenibles y acertadas desde el punto de vista termodinámico.

Optemos por analizar las energías convencionales. El carbón, el petróleo o el uranio son tecnologías maduras que además contribuyen en una proporción muy alta (por encima del 60%) al mercado energético mundial. Nótese que no estamos discutiendo cuánto tiempo van a durar estas energías o si son muy o poco contaminantes. Sólo vamos a considerar su rendimiento energético.

Sabemos que U = W +Q. Tanto en la combustión de petróleo como en la fisión del uranio (o cualquier otra fuente de energía) hay que diferenciar el mecanismo en sí (combustión, fisión) del proceso (generación eléctrica, movimiento de un vehículo, etc.). Así, podemos decir que la combustión del carbón o del petróleo es prácticamente un 100% de rendimiento, ya que la energía de Gibbs en estas reacciones es muy negativa y por consiguiente esto significa que la reacción se da prácticamente en su totalidad. Sin embargo, el proceso o ciclo puede tener un simple 30%, ya que sólo un 30% de la energía producida por la combustión se ha convertido en trabajo.

Así pues, lo que se convierte en un problema termodinámico no es la generación de energía, sino la conversión de dicha energía en trabajo. Esto podría parecer, a priori, una cuestión puramente técnica y no física, es decir, una cuestión de falta de aislamiento, mejora del proceso, etc. Sin embargo no lo es. El rendimiento máximo de un ciclo termodinámico lo determina el rendimiento del ciclo de Carnot, cuya fórmula es 1-T fría/T caliente, siendo T la temperatura. Entonces, el rendimiento del proceso estará condicionado por la temperatura máxima y mínima. Por lo general, la temperatura mínima es el ambiente o bien una temperatura situada entre la máxima y la temperatura media entre máxima-ambiente.

Pongamos un ejemplo: supongamos que tenemos que generar electricidad mediante un ciclo de combustión a 600 K y que cede su calor a 300 K. El rendimiento de Carnot sería: 1-300/600 = 0,5 (50%). En cambio, si la temperatura de combustión fuera de 3000 K, el rendimiento del proceso sería 1- 300/3000 = 0,9 (90%). Curiosamente, el ciclo de Carnot es más eficiente cuanto más alta es la temperatura del combustible, al contrario de lo que pudiera parecer (ya que habitualmente, los políticos insisten en no aumentar la temperatura de la calefacción para ahorrar energía).

Estudiemos ahora el caso de las energías renovables. Comúnmente se nos insiste en que las energías renovables son una garantía de eficiencia, rendimiento y escasa contaminación ambiental, pero deberíamos saber que...

- La energía solar no es muy eficiente: tan sólo el 14% de la energía que incide sobre un módulo fotovoltaico es convertida en electricidad (en una central de petróleo, del 40%).

- El hidrógeno como combustible requiere que o bien el agua se convierta en hidrógeno o bien un hidrocarburo (metano, por ejemplo) reaccione con agua para obtener hidrógeno. Estos dos procesos reducen considerablemente el rendimiento final y lo hace inviable como combustible (ya que en ambos procesos o bien se requiere energía adicional para fabricar hidrógeno y/o la contaminación producida es mayor que la que se obtendría sólo consumiendo combustibles).

- La biomasa no elimina la generación local de dióxido de carbono. Sus procesos son exactamente iguales que los de combustión convencional.

- La geotermia sólo reduce en un porcentaje muy bajo el consumo energético de la vivienda, a diferencia de lo que pregonan sus defensores, ya que, como en el caso del hidrógeno, sólo considera el proceso de manera aislada y no según el segundo principio de la termodinámica al ambiente.

En conclusión: la energía es otra de las muchas guerras que tendremos que librar en el siglo XXI, así que más vale que conozcamos sus pros y sus contras.

La contaminación como una excusa

Cuando un tema está de moda parece que nos pudiera una necesidad de que nos asocien con ese tema. Es guay. La fantástica promoción que nos brinda una moda es tan irresistible que no conozco a nadie que no haga uso de ella (a menos que sea un sabio o una persona con bastante integridad).

Una de esas modas es estar en contra de toda contaminación y todo lo contaminante. En este sentido, la química es también considerada como una fuente de contaminación. La química es mala. La química es antinatural. La química es responsable de la muerte de las especies. La química es responsable de la desaparición de la capa de ozono y del cambio climático.

Me gustaría que por una vez en la vida un político (como hizo en el campo contrario Al Gore) hable con corrección y con rigor de la ciencia, del método científico y que los científicos reciban la admiración popular que tenían hace años. En este sentido, la industria, la minería y la ingeniería en general son sinónimos actualmente de contaminación, depredación o corrupción.

Para cualquiera que no sepa el lenguaje científico, contaminación significará ensuciamiento, destrucción, envenenamiento, etc. Un científico ve más allá de todo esto. La contaminación no es más que la pérdida progresiva de las propiedades atribuidas a las sustancias y a los entornos. Así, si tenemos sal común y la mezclamos con una pizca de azúcar, la sal resulta contaminada de azúcar. Es decir, la sal ha perdido parte de sus propiedades intrínsecas. En este sentido, la contaminación no siempre resulta perjudicial. El acero es hierro contaminado (generalmente de carbono). El carbono proporciona al acero unas cualidades más adecuadas que el hierro puro, como son la dureza. Lo mismo ocurre con las aleaciones de bronce o latón. Otro ejemplo más reciente de contaminación positiva son los dopajes de semiconductores, en los que se añade una impureza para que su conductividad aumente. Así pues, contaminación no siempre es sinónimo de degeneración de la sustancia.

Más acotado parece el tema de la contaminación del entorno (o medio ambiente). Como dijimos, es un tema de moda y existe contaminación de cualquier tipo (no sólo química, sino que ahora existe contaminación acústica, lumínica, térmica, etc.). ¡Qué pena destruir el medio ambiente! A estos amigos de la naturaleza les diría que cuando uno piensa en medio ambiente, el inconsciente colectivo se imagina a miles de pájaros dando vueltas a un campo lleno de flores y con un verde deslumbrante. Vamos, una primavera eterna en el campo. A estos amantes de la natura, les resulta el ser humano una especie de plaga que está de más en la naturaleza, la cual no se entiende que haya podido ser creada por un ser inteligente como es Dios. ¡Ojalá el hombre no hubiera nunca existido! Ahora las ciudades han hecho que el campo deje de existir y cada vez queda menos espacio natural. No puedo comprender a estos amantes de la naturaleza que critican a la especie a la que ellos pertenecen y sin la cual ellos no podrían ni siquiera expresar sus absurdas ideas.

El ser humano es un ser tan natural como cualquier otro, salvo que las abejas hacen sus casas con cera, los pájaros con palillos y los hombres con ladrillo. El ser humano tiene todo el derecho a sobrepoblar el planeta, como lo hubiera hecho cualquier otra especie natural de haber podido. Sin embargo, debido a su condición racional, tiene también la obligación de conservar en la medida de la posible su propio hábitat, que curiosamente es el planeta el completo. Somos la única especie natural capaz de vivir en cualquier punto del planeta.

Hasta qué punto los ecologistas nos han hecho renegar de nuestra naturaleza que ya no consideramos a la química parte de ella, cuando la naturaleza es completamente química. La química es la ciencia que estudia la constitución de la materia. Y materia es todo. La transformación de la materia es consecuencia del estudio pormenorizado de las reacciones que ocurren cuando las materias (o sustancias) son expuestas en presencia de energía unas con otras. Gracias a las reacciones químicas, tan odiadas por los ecologistas, es posible que exista la vida, que la materia no se disgregue a través del espacio sideral o que el sol proporcione energía continua a la Tierra.

Pero la química también es responsable de los agentes contaminantes. En efecto. La química es responsable porque cualquier sustancia contaminante es materia. Lo que llamamos contaminación química no es más que el resultado de la formación de unas sustancias de bajo valor (ya sea nutritivo, energético o económico) que se denominan residuos. El residuo es parte inevitable del proceso de valor, a partir del cual la unión de varias sustancias producirán un producto de valor (la energía para que se mueva el corazón, el calor para calentarnos o el hierro) y un residuo (CO2 + orina + heces, CO2 y SO2).

Decir que los indios del amazonas no contaminan el río cuando orinan pero la Gulf Petrol sí contamina el golfo de México es una de las tesis más demagógicas que podemos mencionar. Ambos contaminan. Algunos dirán que no en la misma proporción. Tampoco lo harían en la misma proporción si en lugar de 10 indios vivieran 100 mil, como ocurriá en Tenotchitlan o en las culturas mayas. Ellos eran más naturales que nadie y sin embargo contaminaban (hasta tal punto que los mayas tuvieron que huir de sus ciudades). El problema de los residuos ha sido siempre una cuestión peliaguda para cualquier proceso químico (de hecho, si un fuego se tapa, el exceso de residuo (CO2) paraliza la combustión.

La química es nuestra amiga. Lo importante es que los residuos sean convenientemente tratados para minimizar los efectos negativos. En cualquier caso, la Tierra y la energía del sol son tan grandes que no es posible contaminarla entera (entre otras cosas porque no habría quien viviera tras esto y porque los contaminantes ya están entre nosotros). Por ejemplo, todas las bombas atómicas del mundo no podrían contaminarlo de radiación, ya que ¿de dónde sacaron el uranio si no fue del propio suelo? Basta ya de engaños y demagogias.

No se dejen engañar. Cada vez que les hablen de un problema medioambiental, interróguense de la validez de las afirmaciones y no de quién las dice. El engaño más grande consiste en dejarse contaminar la cabeza por los propios políticos.

Termodinámica básica (VII)

Animo a los lectores a recordar todos los temas tratados en capítulos anteriores. Recapitulando, ya conocimos las leyes fundamentales que rigen la naturaleza en cuanto a fenómenos relacionados con la energía. La energía se conserva y no se crea. Es decir, la energía que hay es la que fue, es y será hasta el fin del mundo, salvo que la existencia de un ser superior, Dios, pudiera hacer fracasar las leyes de la física (PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA). La energía, sin embargo, pierde calidad y puede ocurrir que sistemas muy energéticos tengan una energía poco útil, mientras que sistemas con poca energía pueda utilizarse con un rendimiento muy elevado (SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA).  Posteriormente revisamos las magnitudes energéticas, el equilibrio y la función de Gibbs, etc.

Hoy podemos hablar de lo que se denominarían "mentiras científicas". Llamamos mentiras científicas (o psedociencia) a saberes o descubrimientos que son más o menos increíbles pero que encierran un halo de ciencia hasta que se desenmascara su falsedad. Es el caso de los astrólogos (que según la posición del astro, que se puede predecir muy exactamente, darán un vaticinio). Entre esos falsos científicos se encuentran los descubridores de las máquinas de movimiento continuo y los descubridores de nuevas formas de energía "revolucionarias".

El móvil perpetuo o máquina de movimiento continuo es una máquina que como su nombre indica no se para nunca. Ya hemos analizado la segunda ley de la termodinámica, que afirma que es imposible que un cuerpo que está a más temperatura que otro se caliente espontáneamente mientras que el otro se enfría también espontáneamente. Sería como afirmar (otro efecto de esta ley termodinámica) que una cosa levitara sin que ninguna fuerza actuara sobre ella, algo así como una anti-gravedad.

Máquinas de este tipo hay muchas y variadas, que son muy interesantes no porque el movimiento sea o no continuo sino porque han conseguido el avance de la ciencia y el descubrimiento de propiedades físicas de los materiales. Así, en la práctica, el rozamiento u otras fuerzas de ligadura impiden el movimiento totalmente continuo, al añadir una pérdida de potencia por calor y trabajo en el movimiento.

Hasta el finales del siglo XIX y principios del XX, cuando la termodinámica y las leyes cuánticas se tornan como inevitables en la ciencia, el movimiento perpetuo fue considerado una prioridad. Hoy nadie cree en los charlatanes del siglo XVI y XVII, que incluso cogían a personas y las metían dentro de sus inventos para que dieran cuerda a los mismos y para demostrar que eran "perpetuos".

Sin embargo, tras la Segunda Guerra Mundial, parece que las cosas reaparecen, como la mala hierba. Hoy todos sabemos que la energía es un valor cada vez más de moda. ¿Cuántos han afirmado que han conseguido un motor de agua?¿Cuántos han afirmado que han conseguido un motor de aire?¿Cuántos afirman que por complicados procesos han sido capaces de obtener fluoroclorofosfato de bismuto y plomo (nombre totalmente inventado, cuya es existencia es pura coincidencia) y generan electricidad de manera sencilla y renovable, ya que son pilas que nunca se gastan?¿O cuántos dicen que con hielo y agua son capaces de generar electricidad sin límites?

Ahora estamos en disposición de reírnos de estos charlatanes. Comencemos.

Lo primero es analizar el problema CON TODAS LAS AFIRMACIONES. Esto es, en ningún caso diremos a priori que estas afirmaciones sean imposibles. Lo que diremos es que dichas afirmaciones no serán ciertas al mismo tiempo.

Por ejemplo. No hace mucho escuché a un señor que afirmaba que había descubierto un "motor de agua". Para empezar, de ser cierta esta afirmación, este señor sería multimillonario, ya fuera porque su invento le reportara pingües beneficios, ya fuera porque se lo comprara alguna gran empresa petrolera. Imaginen, hombres de poca fe. ¿De verdad creen que Exxon gastaría millones de dólares en perforar pozos cuando podrían poner una bomba y vender agua tratada para vehículos?¿De verdad creen que no sería más fácil vender coches que se recargaran sólo con agua?

No, más bien es un charlatán romántico que desea que su invento al menos sea conocido por generaciones posteriores. Ya dijimos que la energía se puede obtener de distintos modos, pero en todo momento sólo existen dos formas reales de obtenerlo:

1. Calor

2. Trabajo.

Dentro de trabajo, se entiende a la fórmula diferencial dW=F·dr, siendo W el trabajo, F la fuerza y r el desplazamiento de la partícula. En este aspecto, F es lo que realmente genera ese trabajo. F puede ser una de las cuatro interacciones fundamentales y todo trabajo se reduce en cualquier caso a una de esas cuatro interacciones (gravedad, electromagnetismo, nuclear fuerte y nuclear débil).

Así, un motor de agua produce trabajo a través de un calor generado. Este calor es generado por un fenómeno químico. En este caso puede ser o bien una combustión (lo más lógico) o bien otro tipo de reacción química. El caso es que este señor decía que el agua producía energía al reaccionar con molibdeno o manganeso (no me acuerdo bien de la sustancia).

Si mal no recuerdo, el agua en contacto con el molibdeno se descomponía en hidrógeno y oxígeno y luego en un carburador se volvían a unir mediante una combustión, para hacerse agua nuevamente y otra vez ir a la cámara de descomposición y nuevamente reaccionar. El molibdeno actuaba como catalizador, por lo que nunca se consumía.

¡No dirán que no es genial! El fin de los problemas energéticos mundiales. Obviamente ningún político malvado ha destruido los planos (porque los hay todavía más malos que lo comprarían para ser más poderosos). La razón es que desde el punto de vista termodinámico es imposible dicho proceso.

Empecemos en el tanque inicial. Agua con molibdeno. El agua se descompone. Este es un proceso endotérmico, es decir de entalpía positiva (285 kJ/mol). La entropía es también positiva y tiene un valor de 162 J/mol. Según la ecuación de Gibbs, para que ocurra la reacción espontáneamente hay que calentar el medio por encima de los 1760 K. Ni el molibdeno ni ningún otro catalizador puede evitar eso. Lo que puede es acelerar la velocidad de reacción y que la energía de activación de la reacción sea la menor posibles (es decir, lo más cercana a 1760 K).

¿Quiere decir entonces que no es posible descomponer el agua a temperatura ambiente? Sí, es posible, pero no según esa ecuación tan burda (H2O = H2 + 1/2 O2). Por ejemplo, en una electrolisis, el agua no está en estado puro, sino en presencia de un soluto ácido o básico. Por tanto las reacciones son 2H(+) + 2 electrones(-) = H2. y el oxígeno sigue una reacción análoga (bastante más compleja, pero que genera oxígeno molecular). Aunque parezca una tontería, el resultado es el mismo, pero el proceso (o lo que es lo mismo, las sustancias de partida, son distintas). El protón (H+) está libre y deseoso de encontrar un electrón con quien unirse y estabilizarse. Este proceso no requiere altas temperaturas.

Descartando entonces el motor de agua y el molibdeno en descomposición directa del agua por la alta temperatura requerida (1760 K), podríamos pensar que el molibdeno provocara alguna descomposición del agua en algo parecido a un protón y un grupo hidroxilo o algún compuesto que permitiera disminuir la energía de Gibbs. Es probable que esto ocurra en esos motores de agua que suelen aparecer de vez en cuando en televisión. En este en concreto, el molibdeno se mezclaría con agua, hidratándose o acidificando el medio o algún medio análogo. ESTA ES LA CLAVE. En el mismo momento que hace esto, el ciclo jamás podrá ser continuo per se y el segundo principio de la termodinámica hará que el invento se pare.

Volvamos a analizar el modelo.

1. El molibdeno se combina con agua. El molibdeno sufre una transformación momentánea para luego recuperarse totalmente (como todo buen catalizador).

2. El agua se descompone en oxígeno e hidrógeno.

3. El agua se regenera al realizarse la combustión y vuelve al depósito de donde estaba al principio.

Entonces, llega la pregunta. ¿Y el molibdeno?¿Qué ocurrió? Está claro que en ese modelo, el invento fracasa. El molibdeno está impurificado (ya sea hidratado, ya sea acidificado, etc.). Para que vuelva a ser útil hay que descontaminarlo. PARA ELLO SE REQUIERE ENERGÍA EXTERIOR, YA QUE LA TERMODINÁMICA PREDICE QUE EN UN SISTEMA CERRADO EL PROCESO NUNCA ES COMPLETAMENTE REVERSIBLE Y POR TANTO, FINALMENTE, SE PARAN LAS REACCIONES.

Conclusión final. Desconfiemos de los inventos y los inventores. Desconfiemos de los que admiten sistemas químicos cerrados y aislados con los que consiguen eternamente energía. Desconfiemos de los sistemas químicos cerrados pero no aislados, es decir, que pueden intercambiar calor pero no materia (por ejemplo, una caldera de vapor) en donde todos los procesos químicos se dan en el mismo receptáculo, formándose "celdas" de entropía negativa que no interactúan con el resto. Este último tipo de estructura no es imposible (el mismo planeta Tierra es este tipo de estructura) pero realmente tienen que existir barreras físico-químicas estables que impidan que esas celdas se vean afectadas por los alrededores.

Termodinámica básica (VI)

En nuestro estudio particular de las leyes de la termodinámica hemos ido realizando un análisis de los fenómenos naturales. Hasta el momento sabemos que:

• La energía se transfiere de unos cuerpos a otros o al ambiente, por medio de la realización de un trabajo o mediante intercambio de calor (primera ley de la termodinámica)

• La energía se transfiere siempre de manera que la entropía del universo crezca o se mantenga. Esto no supone, sin embargo, que no podamos disminuir la entropía de un sistema. Simplemente supone que al disminuir la entropía del sistema, necesariamente debe aumentar de manera global la del universo.

• El estado de entropía 0 ocurre en el cuerpo cristalino a la temperatura de 0 K. En ese momento estamos en un estado de ordenación perfecto.

También se dijo que de todas estas leyes se deduce (y la experiencia cotidiana así lo demuestra) que un cuerpo siempre cae por acción de la gravedad y no se eleva de manera espontánea. También que nuestro café a 50ºC se enfría cuando está expuesto al aire a 15ºC y no ocurre lo contrario, es decir, que se caliente nuestro café hasta 200ºC mientras que se enfría el aire circundante hasta los -5ºC. Se dice entonces que los procesos ocurren en determinada dirección.

Es ahora cuando podemos asegurar sin temor a equivocarnos que dado un proceso determinado (por ejemplo, calentar un cuerpo), éste ocurrirá espontáneamente o por el contrario debemos realizar un esfuerzo (en forma de calor o trabajo) para obtener las condiciones deseables.

A la vista de las leyes anteriores, parecería que es suficiente decir que todo proceso en el que se aumente la entropía será un proceso espontáneo. Sin embargo no es tan fácil como pudiera suponerse. Pongamos un ejemplo rápido. Una pelota cae desde una altura de 10 m. La caída hace aumentar la entropía del universo, como ya sabemos, y se trata además de un proceso espontáneo. Sin embargo, cuando llega al suelo no se frena en seco sino que rebota. Un rebote, a priori, es un proceso espontáneo, ya que no estamos realizando ningún tipo de esfuerzo adicional para elevar la pelota. Y sin embargo, este proceso implica una disminución de la entropía al regresar parcialmente a la altura de la que partió. En definitiva: existen procesos, en los que se puede realizar una disminución de la entropía de manera espontánea.

Existe una magnitud que permite conocer si el sistema sufrirá un proceso espontáneo o no. Es lo que se conoce como Energía Libre de Gibbs, que matemáticamente, en su forma diferencial, se expresa así:

dG = d H - T·dS

donde G es la energía libre de Gibbs, H la entalpía del proceso, T su temperatura y S la entalpía del proceso. La integral de esta ecuación es compleja, ya que todos los factores dependen de la temperatura, aunque es fácilmente integrable cuando la temperatura es constante.

Según esta ecuación un proceso será espontáneo cuando su energía libre sea negativa. En cualquier otro caso el proceso no es posible, a menos que se realice alguna acción energética que haga espontáneo el proceso. Analizando los términos observamos que algunos términos son siempre positivos, como T, que como mínimo vale 0. La entropía puede ser positiva o negativa, al igual que la entalpía. Así, existen cuatro posibilidades:

• H < 0 y S > 0: en ese caso, el proceso es espontáneo, ya que siempre G<0. Es el caso de las reacciones químicas de combustión, que son exotérmicas (es decir, expulsan energía del sistema) y su entropía aumenta.

• H < 0 y S < 0: en ese caso, el proceso es espontáneo siempre que el proceso expulse mucho calor a una temperatura relativamente baja. Si no, el proceso no puede ocurrir. Por ejemplo, en la síntesis de amoníaco.

• H > 0 y S > 0: en ese caso, el proceso es espontáneo siempre que el proceso no sea demasiado endotérmico (es decir, no requiera excesivo calor del ambiente). Es el caso de la fusión del hielo en agua a temperatura ambiente. Aunque el proceso requiere calor del ambiente, su entropía aumenta mucho, lo que significa que el balance final da como resultado que el proceso es espontáneo.

• H>0 y S < 0: el proceso nunca ocurre. Por ejemplo, no es posible que al aire libre el agua líquida se vuelva sólida (entalpía negativa) al mismo tiempo que su temperatura aumenta (proceso endotérmico o de aceptación de calor). Otro proceso similar sería la recomposición de una taza rota (entropía negativa) de manera espontánea, moviéndose los trozos unos hacia los otros venciendo las distintas fuerzas de rozamiento y de gravedad (proceso endotérmico).

De esta forma, es posible predecir lo que ocurrirá y qué fenómenos son imposibles y cuáles otros son posibles. Una cuestión muy importante es que no necesariamente un fenómeno imposible en determinadas condiciones es siempre imposible en todas las condiciones. Por ejemplo, sabemos que la madera arde en presencia de oxígeno y además sabemos que se trata de una reacción muy exotérmica. Sin embargo nunca veremos arder un árbol si no hay un fuego cerca o una chispa (o lo que es lo mismo, altas temperaturas). Las presiones y otras fuerzas también influyen en estos fenómenos.

Otra cuestión interesante es que si un proceso tiene una energía de Gibbs más negativo que otro no es más rápido o espontáneo que otro. La energía de Gibbs sólo indica "SI" o "NO" y nada más. La velocidad de un proceso no está relacionado en ningún momento con la energía de Gibbs. De hecho fenómenos altamente espontáneos, como es la formación de ácido nítrico (altamente corrosivo para las sustancias orgánicas) a partir de nitrógeno, oxígeno y agua (es decir, a partir de aire y agua), gracias a Dios son tan lentos que antes acabará el Sol que se formará una cantidad apreciable de este ácido capaz de dañar la vida.

Por último, añadir que un proceso cuya energía de Gibbs sea 0 se dice que está en equilibrio termodinámico. Por ejemplo, al mezclar agua de 2 temperaturas distintas se obtiene agua a temperatura intermedia. Las moléculas del agua caliente ya no se distinguen de las de agua fría y en el caso de que por alguna razón estadística algunas moléculas formaran un subsistema "caliente", existiría un subsistema frío que rápidamente lo contrarrestaría, formándose nuevamente agua a temperatura intermedia. Lo mismo ocurre en las reacciones químicas. Al mezclar nitrógeno e hidrógeno para formar amoníaco, quedan moléculas de hidrógeno y nitrógeno que no llegan a unirse debido a que la entropía del proceso es muy alta y el fenómeno ya no es espontáneo. Se dice entonces que el sistema entre los tres gases está en equilibrio.

La importancia cualitativa de la materia y la energía

De sobra es conocido el primer principio de la termodinámica o principio de conservación de la energía (La energía, ni se crea ni se destruye, se transforma) y la ley de Lavoisier o de conservación de la masa (La masa de los reactivos es igual a la masa de los productos). No es casualidad que ambas leyes se parezcan ya que, como Einstein demostró, materia y energía están relacionadas y pueden transformarse la una en la otra.

Es necesario matizar que estas leyes por sí mismas definen pero no explican los cambios que ocurren en los sistemas termodinámicos y químicos. Es decir, la aplicación directa de ambos principios nos llevaría a decir que podríamos obtener energía de cualquier cosa (y no como ocurre en la realidad, de un combustible, por ejemplo). Dicho de otra manera, si necesitamos calentar un café y esto supone cederle energía por valor de 10 kJ, no necesitaríamos calentar en un fogón o en un microondas. Simplemente, del mismo aire ambiente, podría nutrirse de esa energía suficiente pasado cierto tiempo. Esto que se menciona aquí es rigurosamente cierto: la energía del aire en una habitación es enorme, y por tanto no debería haber ningún problema en que nuestro aire ambiente se enfriara un poquito y nos cediera gustosamente calor para nuestro café.

Obviamente, la experiencia nos dice lo contrario. Nunca hemos visto hervir un café expuesto al aire, sin ninguna fuente de calor cercana. Aunque, insisto, el aire tendría más que energía suficiente para hacer hervir el café. Con esto debemos entender que no sólo es necesario que haya energía en el entorno para hacer cualquier actividad, como por ejemplo, calentar, sino que es requisito indispensable que esta energía sea de calidad.

Lo mismo ocurre con la materia. No es posible, en principio, usar excrementos como alimento, ya que su calidad nutritiva (que en definitiva podemos considerar energética) es muy pequeña respecto a cualquier alimento, hasta tal punto que, dejando a un lado la intoxicación más que probable, sería muy complicado obtener nutrientes de material agotado, a pesar de que químicamente contienen los mismos elementos, o gran parte de éstos.

La calidad de la energía se puede calcular a través de varias magnitudes, entre ellas la más famosa es la exergía. Personalmente, es una magnitud que me disgusta, ya que se pierde la perspectiva científica del fenómeno en gran parte, pero es bastante intuitiva y divulgativa. Una fuente con mucha exergía o mucha calidad energética sería aquella que, por ejemplo, produjera una temperatura muy alta en relación con el ambiente. Aunque se entrega la misma energía, una fuente de energía que produzca 10 kJ a 300ºC es de mejor calidad que otra que produzca 10 kJ a 100ºC, a pesar de lo cual ambas ceden la misma energía. De la misma manera, una fuente que produzca muchos residuos es de peor calida que otra que produzca menos, ya que se obtiene energía con mucha menos materia.

Así pues, el aire, que es una fuente inmensa de energía, se muestra muy pobre e incluso incapaz de calentar ningún café, ya que su temperatura no es suficiente y las leyes naturales le impiden el aumento espontáneo de temperatura. Y sin embargo, con unos gramos de gas natural podríamos calentar el café sin problemas.