La presión y la temperatura miden el movimiento molecular
El gas en una caja parece quieto, pero un sinfín de moléculas vuela sin descanso. Mete más moléculas en la caja. Golpean las paredes más a menudo, y el tamborileo sobre ellas se vuelve más fuerte. Lo que llamamos presión es justo este empuje de incontables choques sobre las paredes. Ahora pon las moléculas más calientes y las mismas moléculas vuelan más rápido. El promedio de esa rapidez es lo que es la temperatura. Tanto la presión como la temperatura son un único número del mundo macroscópico que resume el movimiento de cada molécula invisible. Una vez que tienes esta mirada, ves de un vistazo por qué calentar sube la presión y por qué dos cuerpos que se tocan acaban templados.
Empieza por de dónde viene la presión. Las moléculas de la caja no paran de estrellarse contra las paredes. Un choque es un golpecito diminuto, pero billones por segundo suman un empuje constante sobre la pared. Usa el control para añadir más moléculas. Cuantas más hay, más a menudo golpean las paredes, y la barra de presión se llena. La presión es, al final, la suma de los choques que recibe una unidad de área de pared. Un globo está tenso y un neumático está duro por lo mismo: dentro, las moléculas tamborilean sobre las paredes sin descanso. El aire que nos rodea tamborilea sobre cada superficie de este mismo modo y aprieta con casi 10 toneladas sobre cada metro cuadrado, pero nunca sentimos ese peso porque empuja por igual por dentro y por fuera.
Ahora la temperatura. Calienta la caja y cada molécula vuela más rápido. Usa el control para subir la temperatura. Las moléculas rebotan más lejos y con más fuerza, y el color se vuelve caliente. La temperatura es el promedio del movimiento que llevan estas moléculas. Más exactamente, refleja cuánta energía cinética tiene en promedio una sola molécula. Así que caliente significa que las moléculas se mueven rápido, y frío que se mueven despacio. Algo a tener en cuenta: la temperatura no es la rapidez de una molécula, sino el promedio sobre incontables moléculas. Por eso, haya muchas moléculas o pocas, el mismo promedio significa la misma temperatura. En realidad las moléculas no se mueven todas a una sola velocidad, sino que se reparten en un rango amplio de rápidas a lentas, y son las más rápidas de la superficie al escapar lo que llamamos evaporación, por lo que un charco se seca poco a poco aun muy por debajo del punto de ebullición.
Ahora pon en contacto un cuerpo caliente y uno frío. Al dejar pasar el tiempo con el control, las moléculas rápidas del lado caliente chocan en la frontera con las del lado frío y comparten su movimiento. El lado caliente se enfría y el frío se calienta. Cuando sus temperaturas se igualan, el calor ya no fluye en un sentido. Este estado es el equilibrio térmico. La clave es que ambos se detienen a la misma temperatura. Igual temperatura significa que el promedio del movimiento molecular se ha igualado, así que no queda nada que intercambiar. Es justamente este equilibrio lo que nos permite comparar las temperaturas de dos cuerpos. Por eso todo lo que lleva rato en una misma habitación ya ha alcanzado este equilibrio, así que un pomo de metal y la puerta de madera están en realidad a una sola temperatura; el metal solo se siente más frío porque se lleva el calor de tu mano más rápido.
Al bajar la temperatura, el movimiento de las moléculas también se frena. En la gráfica, observa cómo cambia la presión de la caja con la temperatura. Cuanto más frío, más débiles y escasos los choques, y la presión cae en línea recta. Prolonga esa recta y llegas a un punto donde la presión sería cero, en torno a menos 273 grados Celsius. Es el límite donde el movimiento molecular ya no puede reducirse más, un suelo bajo el cual nada puede estar más frío. Por eso los científicos crearon una escala nueva que toma justo ese punto como cero: la temperatura absoluta, el kelvin. Suma 273 a una lectura en Celsius y obtienes kelvin. Por eso toda fórmula de la termodinámica usa kelvin y no Celsius: la verdadera cantidad de movimiento molecular hay que contarla desde el suelo. Este suelo se puede acercar pero nunca tocar del todo: hasta los laboratorios más fríos han llegado apenas a una milmillonésima de grado del cero absoluto, y aun eso es mucho más frío que el vacío del espacio exterior.
Por último, una promesa simple pero profunda. Supón que un termómetro mide una taza de agua y da cierta temperatura, y el mismo termómetro mide una barra de hierro y da la misma temperatura. Usa los botones para tocar el termómetro con cada uno por turno. Si ambos están a la misma temperatura que el termómetro, entonces el agua y la barra de hierro están a la misma temperatura entre sí, aun sin ponerlos en contacto directo. Parece obvio, pero esa obviedad es justamente el cimiento sobre el que se sostiene el concepto de temperatura. Esto es la ley cero de la termodinámica: si A está en equilibrio con C y B también está en equilibrio con C, entonces A y B están en equilibrio. Gracias a esta ley, una sola referencia, un termómetro, nos permite ordenar y comparar la temperatura de todo en el mundo. El nombre curioso, la ley cero, viene de esto: es aún más básica que la primera y la segunda ley, pero se precisó solo después de que aquellas ya tuvieran nombre, así que hubo que colarla por delante del número uno.