CAVENDISH

No amaba; no odiaba; no tenía esperanzas; no tenía miedo [...] Una cabeza intelectual pensando, un par de ojos maravillosamente agudos observando y un par de manos muy hábiles experimentando o registrando, es todo lo que veo al leer sus escritos.

George Wilson

Henry Cavendish fue un físico y químico británico. Nació en Niza, Francia, en el seno de una familia noble y rica que veraneaba allí, en 1731. Murió en Londres, Reino Unido, en 1810. Conocido por el experimento que lleva su nombre para determinar la constante de gravitación universal; y por el descubrimiento del hidrógeno y la composición del agua, Henry Cavendish fue un hombre muy inteligente con un carácter singular. 

A pesar de su rechazo a estar con gente, entró en la Royal Society. La Royal Society (Royal Society of London for Improving Natural Knowledge), se encuentra en Londres y es la sociedad de científicos más antigua de Reino Unido. Se formó en 1661 a partir de un grupo de científicos y filósofos que desde 1645 ya se reunían semanalmente en Londres. Su objetivo principal es el de promover y difundir la investigación científica mediante la publicación de libros.

Ganó prestigio en 1669, cuando algunos científicos decidieron que debían redactar y poner al alcance del resto de la humanidad los avances y conocimientos científicos. El actual presidente (y durante cinco años) es Sir Venki Ramakrishnan.

Además de Newton y Darwin, destacaron Boyle (químico y naturalista), Wallis (matemático), Sir Christopher Wren (arquitecto) y, por supuesto, Cavendish. Estas ilustres personas, junto con muchos otros grandes científicos de la época, se unieron inicialmente para debatir las ideas del pintor Francis Bacon.

Las primeras publicaciones se realizaron en 1663 por Hooke (John Evelyn’s Silva y Mitografía)

Entre otros títulos, la Royal Society ha conseguido las siguientes medallas:

• Medalla Buchanan, en medicina.
• Medalla Copley, en biología.
• Medalla Darwin, en el tema de la evolución y diversidad biológica.
• Medalla Gabor, por ingeniería genética.
• Medalla Hughes, en electromagnetismo.
• Medalla Leverhulme, por ingeniería química.
• Medalla Sylvester, en matemáticas.
• Medalla del rey Carlos II. Esta medalla solo ha sido otorgada en tres ocasiones fuera de Gran Bretaña a jefes de estado que hayan contribuido enormemente al desarrollo científico de sus países.

Como ya hemos comentado antes, uno de sus mayores logros fue determinar la composición del aire. El aire está compuesto en un 78,08% por nitrógeno (N2), en un 20,95% en oxígeno (O2). Un 0,93% del aire es argón (Ar), un 0,035% dióxido de carbono (CO2), y el restante 0,005% está formado por otros gases como Neón (Ne), Helio (He), Metano (CH4), Kriptón (Kr)…

Buscando las propiedades del flogisto Cavendish descubrió que un 79,167% del aire era un gas denominado aire flogistizado (hoy sabemos que es nitrógeno y argón) y un 20,833% pertenecía a lo deflogistizado (que hoy en día es un 20,95% de nitrógeno). Si sumamos los porcentajes de nitrógeno y argón tenemos un 79,01 de lo que sería aire flogistizado para Cavendish, por lo que sus experimentos fueron muy precisos y sus mediciones muy exactas.

La idea del “flogisto” de la que hablaba Cavendish había sido popularizada por Johann Becher (1635-1682), físico y alquimista y Georg Stahl (1659-1734), médico y químico. La teoría del flogisto es una teoría científica que ayudaba a explicar la combustión de los cuerpos. Según esta, toda sustancia que pueda sufrir una combustión contiene flogisto, y la decadencia de éste es la que produce la combustión. Ya en el siglo XVIII Joseph Priestley comenzó a hablar del "aire flogistizado" y "aire desflogistizado". Se había observado que una sustancia ardía durante un tiempo limitado si la cantidad de aire disponible era limitada. El aire que quedaba tras el proceso de combustión fue denominado  "aire flogisticado" (formado realmente por nitrógeno y dióxido de carbono), pues según Priestley durante la combustión el aire había absorbido todo el flogisto que podía. Cuando ya no podía absorber más flogisto, cesaría la combustión. Al calentar la cal roja de mercurio Priestley obtuvo un tipo de aire cuyo proceso de combustión era más largo, ese aire lo llamó "aire desflogistizado". Y años después pasaría a tener el nombre de “oxígeno”. Esta teoría comenzó a tener muchas críticas: Stahl había hablado del flogisto como la sustancia liberada por cualquier sólido durante la combustión (lo que explicaba la perdida de masa del cuerpo)  pero en 1760 Lavoisier realizó experimentos con plomo, azufre y estaño y observó que su masa aumentaba en la combustión. La masa del flogisto no podía ser negativa, por lo que empezó una revolución química. Después de otros experimentos acabó descartando la teoría del flogisto pues las sustancias que se quemaban, se combinaban con el oxígeno del aire y ganaban peso.  Los químicos poco a poco dejaron esta teoría también y comenzaron a apoyar la teoría de la combustión basada en el oxígeno.

Otro de sus descubrimientos en el campo de la química fue el de las propiedades del hidrógeno:

• Al ser un no metal, es un mal conductor de calor y la electricidad.
• No tiene lustre.
• Debido a su fragilidad, los no metales como el hidrógeno, no se pueden aplanar para formar láminas ni hilos.
• El estado del hidrógeno en su forma natural es gaseoso.
• Es un elemento químico de aspecto incoloro y pertenece al grupo de los no metales.
• Su número atómico es 1, y su símbolo químico es H.
• El punto de fusión del hidrógeno es de 14,025 grados Kelvin o de -258,125 grados celsius.
• El punto de ebullición del hidrógeno es de 20,268 grados Kelvin o de -251,882 grados celsius o grados centígrados.

Se utiliza para…

• Procesar combustibles fósiles.
• Producir amoníaco (utilizado en los productos de limpieza)
• Producir metanol y convertir aceites y grasas no saturada insalubres en aceites y grasas saturadas.
• Calibrar algunos termómetros.
• Fabricar bombas de hidrógeno y actúa como una fuente de radiación en pinturas luminosas. En las ciencias biológicas, el tritio (un isótopo radioactivo de hidrógeno, se produce en las reacciones nucleares) se utiliza a veces como un marcador isotópico.
• Para determinar si hay fugas en plantas de fabricación de muchos. También se utiliza para detectar fugas en los envases de alimentos.
• Como refrigerante rotor en generadores eléctricos.
• Como un gas de protección en la soldadura de hidrógeno atómico.
• La producción de ácido clorhídrico.
• Reducir muchos minerales metálicos.
• Crear agua.

El agua está formada por dos átomos de hidrógeno (H) y un átomo de oxígeno (O) unidos mediante sendos enlaces covalentes, de manera que la molécula tiene una forma triangular. Los átomos de hidrógeno y oxígeno están separados entre sí 0,96 Angstroms y el ángulo que forman sus líneas de enlace es de unos 104,45 grados. Además el agua tiene dos regiones con una cierta carga eléctrica (diplo). Una de ellas es positiva y la otra negativa.

Cavendish también habló del calor específico de las sustancias.El calor específico de una sustancia es una magnitud física que indica la cantidad del calor que necesita por cada unidad de masa para elevar su temperatura en una unidad  (Celsius o Kelvin).

Es el cociente entre la capacidad calorífica y la masa.

El calor específico es una propiedad intensiva (no depende de la cantidad de sustancia ni del tamaño) de la materia, por lo que es representativo de cada materia. Cuanto más grande sea el calor específico de la sustancia, más energía calorífica se necesitará para incrementar la temperatura.

Q=cm∆t

(c = calor específico) (Q = cantidad de calor)

Vamos a comparar ahora la Ley de Coulomb con la Ley de Gravitación Universal:

Ley de Coulomb

“La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa y tiene la dirección de la línea que las une. La fuerza es de repulsión si las cargas son de igual signo, y de atracción si son de signo contrario.”

La constante de proporcionalidad depende de la constante dieléctrica del medio en el que se encuentran las cargas.

Se nombra en reconocimiento del físico francés Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806), que la enunció en 1785 y forma la base de la electroestática.

La Ley de la Gravitación Universal establece que la fuerza de atracción entre dos masas es directamente proporcional al producto de las mismas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

Se encuentran varias diferencias entre estas leyes:

1. La ley de gravitación universal se aplica en masas, la de Coulomb se aplica en cargas eléctricas.
2. La masa solo puede tener signo positivo, mientras que las cargas pueden ser positivas o negativas.
3. Para la ley de gravitación tenemos solo fuerzas atractivas; para la de Coulomb encontramos atractivas y repulsivas.
4. La magnitud de la constante gravitacional, G, es muy pequeña en comparación con la constante k, lo que indica que la fuerza eléctrica es más intensa que la gravitacional

Un condensador eléctrico es un dispositivo pasivo (ya que no necesita una energía externa para funcionar) que se utiliza para la electricidad y la electrónica, ya que es capaz de almacenar energía sosteniendo un campo eléctrico.

Este dispositivo está formado por dos superficies de material conductor (placas). Todas las líneas del campo que salen de una necesariamente terminan en la otra. estas placas están separadas por un material de baja conductividad eléctrica (un aislante) o por vacío. Las placas se someten a una diferencia de tensión eléctrica, adquieren carga eléctrica (una positiva y una negativa) de manera que su carga total es nula.

Cavendish, que era muy hábil en sus experimentos, inventó un termómetro que funcionaba sin mercurio. Tanto los termómetros de mercurio como los de alcohol coloreado funcionan de una manera similar:

Este tipo de termómetros funciona gracias a una propiedad de los líquidos: se dilatan al aumentar la temperatura y se contraen cuando disminuye. En concreto, contienen un pequeño depósito con el líquido, conectado a un tubo muy fino por el que se puede elevar la sustancia.

Cuando aumenta la temperatura, el líquido coloreado se dilata y sube por el interior del tubo.

El modelo cinético corpuscular de la materia:

Este modelo nos explica que un aumento de temperatura está relacionado con el aumento de la energía cinética media de las partículas que componen la materia. En resumen, cuando aumenta la temperatura las partículas que componen el líquido coloreado o el mercurio se mueven más deprisa y eso hace que la sustancia se dilate.

Pero la temperatura que marca el termómetro puede estar medida en distintas escalas. Les más conocidas son la Escala Celsius y la Fahrenheit:

Escala Celsius, se asigna el valor 0 a la temperatura de fusión del hielo y el valor 100 a la temperatura de ebullición del agua. El intervalo entre 0 y 100 se divide en 100 partes iguales y cada parte es un grado Celsius (ºC).

Como existen cien grados entre los dos puntos fijos del termómetro, esta escala se denomina centígrada.

Escala Fahrenheit, que todavía se utiliza en los países anglosajones, a los dos estados de referencia vistos anteriormente les corresponden los valores 32 y 212. Este intervalo se divide en 180 partes iguales y cada una es un grado Fahrenheit (ºF).

Escala absoluta, propuesta por Kelvin en 1854. Se asigna el valor 0 a la temperatura más baja que puede existir en nuestro universo. A esta temperatura le correspondería una velocidad de las moléculas nula y, por tanto, inalcanzable. En esta escala no existen temperaturas negativas y también es centígrada.

Cavendish destacaba por su capacidad para realizar experimentos y mediciones. Gracias a esto, fue capaz de medir el valor de la constante de gravitación universal G con un sensible instrumento que construyó: la balanza de torsión. Al realizar este experimento tuvo que tener en cuento aspectos como el punto  de equilibrio de los sistemas. Este punto de equilibrio se consigue gracias a la existencia de un centro de gravedad:

Pasemos a hablar de cómo realizó su experimento y cómo funcionaba la balanza de torsión. Esta balanza contaba de un hilo de torsión del que colgaba una varilla de masa despreciable en cuyos extremos se encontraban dos esferas de igual masa. Había que colocar también otras masas mayores fijas (aunque luego tendremos que moverlas) a los extremos de otro brazo, cuyo centro fuese el mismo que el de las primeras masas. A través de un mirador, Cavendish medía el ángulo que giraba el hilo de torsión.

Al haber colocado las masas y las grandes en línea, la atracción que realiza sobre una masa pequeña la que está a su lado, es mayor que la que está en el otro extremo. Por eso, se quedará en equilibrio. Cavendish midió el ángulo de torsión del hilo, esa era la posición inicial y de equilibrio.

A continuación giramos las masas grandes y al haberlas sacado de su equilibrio, las masas pequeñas comienzan a oscilar. Cavendish volvió a medir este ángulo y mediante complicadas fórmulas matemáticas consiguió saber la fuerza de atracción que existía entre estas y, después, el valor de la constante de gravitación universal.

Este experimento se debe realizar en un sótano o garaje en el cual no haya objetos ni dentro de la sala ni al otro lado de las paredes, ya que la masa de esos cuerpos atraería (aunque muy débilmente) a la masa de las bolas, lo que afectaría al movimiento de los brazos de la balanza. Por la misma razón por la que no puede haber objetos, el propio Cavendish se tenía que mantener a una distancia prudencial de su experimento.

En este experimento no era buena idea utilizar materiales como el hierro, el acero... la razón de esto es que dichos materiales presentan propiedades magnéticas. EL magnetismo, que es un fenómeno físico por el cual los objetos ejercen fuerzas de atracción sobre otros materiales, que están producidas por imanes y corrientes eléctricas. Esto no conviene que exista en el experimento, pues interferiría con la atracción gravitatoria entre las bolas. Otros materiales a la hora de realizar la experiencia que deberíamos evitar son el níquel, el cobalto, y sus aleaciones, que son conocidas como imanes.