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Alicia en el país de los diablillos de Maxwell: relato de un físico a su hija de 7 años


(Tiempo de lectura: 3 - 5 minutos)
rzotc/Shutterstock rzotc/Shutterstock

–Papá, ¿por qué no arranca el coche? –preguntó Alicia, que empezaba a impacientarse mientras yo giraba la llave en el contacto una y otra vez, sin éxito.

–No lo sé, cariño. Me temo que vas a llegar tarde al cole…

–… otra vez –murmuró Alicia, completando la frase que no me atrevía a terminar.

Y es que su tutora, Miss Hearts, se gastaba un genio horrible. Tenía una mirada con la que, si pudiera, mandaría cortar la cabeza de cualquier padre que osara llegar tarde a clase con su hijo. Sentí escalofríos al pensar que de nuevo debería enfrentarme a esos ojos despiadados.

–¿Cómo funciona el motor? –continuó Alicia, quien ya entraba en la edad en que la curiosidad es tan irresistible que desea desvelar todos los misterios del mundo de un plumazo.

Agotado por los intentos infructuosos de poner en marcha el coche y abandonado a mi sombrío destino con Miss Hearts, retiré la mano del contacto y me dispuse a satisfacer las ganas de conocimiento de Alicia.

–Es un motor de tipo térmico porque extrae energía del calor –aclaré.

–¿Qué calor? –preguntó Alicia.

–¿Recuerdas cuando el otro día fuimos a echar gasolina? –Alicia asintió–. La gasolina es un compuesto que almacena energía química. Cuando es inyectada en el motor, se produce una pequeña explosión…

La cara de Alicia se volvió pálida.

–Tranquila, se trata de una explosión controlada, totalmente segura. Esta explosión causa que la gasolina se ponga extremadamente caliente, a unos 2 000 ℃ –la boca de Alicia se abrió como un globo– y parte de ese calor tan intenso se transforma en energía de movimiento que hace dar vueltas a las ruedas.

–¡Y entonces nos movemos! —exclamó Alicia.

–Si lograse arrancar el motor… –repuse con aire resignado.

–Pero, papá, ¿por qué has dicho “parte”? ¿Qué pasa con el resto del calor?

Alicia ya apuntaba maneras de científica, pues sabía hacer las preguntas adecuadas.

–El resto se desecha por el tubo de escape. Por desgracia, no podemos aprovecharlo todo.

–¿Por qué?

–Por culpa de la segunda ley de la termodinámica, que pone un límite a la cantidad de energía útil que puede producir un motor térmico.

La barrera de Carnot

Esta barrera se denomina límite de Carnot. Supongamos que la temperatura del exterior del motor es de 20 ⁰ C. Entonces, el límite de Carnot para nuestro motor de gasolina vale 0.87, es decir, de cada 100 unidades de energía calorífica solo se pueden aprovechar 87.

La cara de Alicia se entristeció.

–En el cole nos han hablado del cambio climático y han pedido que no malgastemos energía –dijo.

–Pues aún tengo peores noticias. Si tenemos en cuenta el rozamiento de las piezas del motor, el aislamiento térmico, que es siempre imperfecto, y otros factores que ocasionan pérdidas, el rendimiento de un motor real es bastante inferior al límite de Carnot.

Alicia estaba a punto de llorar cuando de repente una lucecita roja iluminó mi cerebro.

–A menos que… –empecé.

Alicia me miró de hito en hito con los ojos empañados.

–A menos que instalemos un diablillo –anuncié triunfante.

La pobre de Alicia ya no podía abrir más los ojos ni la boca.

–Hala –balbuceó.

–Mira –expliqué–, imagínate que pones en contacto un objeto caliente y otro frío. ¿Hacia dónde irá el calor, del caliente al frío o del frío al caliente?

–El caliente le dará calorcito al frío –contestó Alicia.

–Exacto. Eso también es una consecuencia de la segunda ley de la termodinámica. De forma espontánea, las partículas más calientes, que son más energéticas, transfieren su energía a las más frías. Ahora bien, hace dos siglos un físico llamado Maxwell descubrió que si un diablillo conociera el estado energético de todas las partículas, entonces podría invertir la transferencia de calor, que iría ahora del objeto frío al caliente. Resulta que ese mismo diablillo de Maxwell actuando sobre un motor térmico podría superar la barrera de Carnot.

Diablillo de Maxwell en plena acción. Htkym/Wikimedia Commons, CC BY

 

–¡Viva! –Alicia palmoteaba con fuerza; había pasado repentinamente de una tristeza profunda a la felicidad más desbordante–. ¿Y cómo se fabrica un diablillo de Maxwell?

Cómo dar vida a un diablillo de Maxwell

–No es fácil –respondí, adoptando un tono de voz algo vanidoso–, pero en la Universidad de las Islas Baleares hemos descubierto hace poco un motor cuántico que funciona por encima del límite de Carnot gracias precisamente a un diablillo.

–¿De verdad?

–Sí, cariño. Se trata de un motor eléctrico, no de gasolina, pero da igual. Conseguimos redirigir la transferencia de energía mediante la acción combinada de un campo magnético y un potencial alternante que…

–Papá –interrumpió Alicia–, estás usando palabras que no comprendo.

–Tienes razón, disculpa. ¿Recuerdas esos imanes con los que te gusta tanto jugar? En nuestra propuesta, se utilizan imanes potentísimos que hacen mover la corriente eléctrica en la dirección deseada. Al mismo tiempo, se aplica un voltaje muy parecido al que tenemos en los enchufes de casa.

–Ahora sí lo entiendo –sonrió Alicia–. ¿Y cuándo podremos instalar vuestro diablillo en el coche para que así gaste menos?

–Bueno, ten en cuenta que es un dispositivo de tamaño minúsculo que funciona a muy bajas temperaturas. Aún queda mucha investigación para que pueda convertirse en una aplicación práctica, pero las bases ya están asentadas –dije, devolviendo la sonrisa a Alicia.

Estaba en ese momento tan imbuido de optimismo que giré la llave del contacto una vez más y, esta vez sí, el motor arrancó suavemente.

–¡El diablillo! –exclamó Alicia.

–Seguro que sí —respondí alegremente, sin dejar de pensar en la reacción de Miss Hearts cuando excusara el retraso debido a nuestras andanzas por el país de los diablillos de Maxwell.The Conversation

David Sánchez, Catedrático de Física Atómica, Molecular y Nuclear, Universitat de les Illes Balears

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation.