El vaso no debería haber hervido. Pero lo hizo.
Un equipo de físicos destruyó pequeños cubos de vidrio en un horno con un voltaje eléctrico sobre lo que obtendría de una toma de corriente en su hogar. Era suficiente electricidad para calentar el vidrio, que ya estaba bastante caliente por el calor ambiental del horno. Pero no debería haber sido suficiente corriente para hervir el vaso. El vidrio no hierve hasta que alcanza temperaturas de miles de grados por encima de lo que la corriente debería haber producido. Y, sin embargo, en su horno, cuando la corriente fluyó y creó un campo eléctrico, los físicos vieron una delgada "brizna de vapor" saliendo de la muestra de vidrio.
Para que eso sucediera, la corriente eléctrica habría tenido que concentrarse en una parte del vidrio, entregando su energía de manera desigual. Pero hay un problema: eso es ilegal.
Aquí está el trato: cuando una corriente eléctrica pasa a través de un material uniforme, se supone que calienta todo el material de manera uniforme. Los científicos llaman a esta primera ley de Joule, después del químico británico James Prescott Joule, quien la descubrió a principios de la década de 1840. Es un hecho material con raíces en la ley de conservación de la energía, una de las reglas más fundamentales que rigen nuestro universo. Y lo vemos en el trabajo todos los días; los filamentos de bombilla no tendrían su agradable brillo, incluso sin la ley de Joule en funcionamiento.
Pero esta corriente parecía violar la ley. No solo surgió vapor de algunas partes del vidrio, sino que un punto de acceso (visible en una cámara infrarroja) bailaba vertiginosamente a través de su superficie. Una y otra vez en sus experimentos, aparecieron puntos calientes.
"Este vidrio es uniforme en el nivel más diminuto", Himanshu Jain, científico de materiales de la Universidad de Lehigh en Bethlehem, Pensilvania, y coautor de un artículo que describe el fenómeno publicado el 26 de febrero en la revista Nature Scientific Reports.
El vidrio es un aislante y no transporta bien la corriente; por pequeño que sea, se espera que convierta la mayor parte de esa corriente en calor. El pensamiento convencional sobre la primera ley de Joule predeciría que una corriente eléctrica calentaría el vidrio de manera uniforme, causando que se derrita y se deforme lentamente, dijo Jain a Live Science. Y en la mayoría de las circunstancias, eso es exactamente lo que sucede.
"Observamos el ablandamiento del vidrio caliente debajo de un campo eléctrico", dijo Jain, "y eso es lo que nadie había hecho antes".
Resultó que ese calentamiento desigual estaba arrojando cargas de energía cerca del ánodo en el vidrio, el punto de entrada para la corriente. Entonces el vidrio se estaba derritiendo y evaporando allí, incluso cuando se mantuvo sólido en otro lugar. Las temperaturas en los puntos calientes eran mucho más altas que el resto del vaso. En un momento, una sola región del vidrio se calentó a aproximadamente 2,500 F (1,400 C) en menos de 30 segundos.
Entonces, ¿se violó la ley de Joule? Sí y no, dijo Jain; pensando macroscópicamente, parecía que sí. Hablando microscópicamente, la respuesta sería "no", simplemente ya no se aplica al vidrio en su conjunto.
Según la primera ley de Joule, un campo eléctrico uniforme debería calentar un material de manera uniforme. Pero a altas temperaturas, el campo eléctrico no solo calienta el vidrio, sino que también cambia su composición química.
Los campos eléctricos se mueven a través del vidrio cuando los iones cargados positivamente (átomos despojados de electrones cargados negativamente) quedan fuera de posición y transportan una carga a través del vidrio, dijo Jain. Los iones más ligeros se mueven primero, llevando la corriente eléctrica.
El vidrio en esta configuración estaba hecho de oxígeno, sodio y silicio. El sodio, el ion liviano de unión libre, realizó la mayor parte del transporte de energía. Una vez que se desplazó suficiente sodio, cambió la composición química del vidrio cerca del ánodo. Y una vez que la química cambió, el vidrio se parecía más a dos materiales diferentes, y la ley de Joule ya no se aplicaba de manera uniforme. Se formó un punto caliente.
Nadie había notado el efecto antes, dijo Jain, probablemente porque no se activa hasta que el vaso ya está bastante caliente. El material en este experimento no desarrolló puntos calientes hasta que el horno alcanzó aproximadamente 600 F (316 C). No es muy caliente para el vidrio, pero es mucho más caliente que las condiciones bajo las cuales funcionan la mayoría de las máquinas eléctricas que usan vidrio y electricidad.
Sin embargo, por ahora, los científicos han descubierto por qué el vidrio estaba hirviendo cuando no debería haberlo hecho. Y eso es bastante emocionante por sí solo.
Nota del editor: este artículo se actualizó para indicar que la ley de Joule se violó desde una perspectiva pero no desde otra, así como para corregir la composición química de la configuración del vidrio.
