El peso de un gas

 [Química de gases] Sección 1 

            [Que es un gas y sus propiedades] 

            [La presión y su medición] 

            [El peso de un gas]

Ingenuamente, se podría pensar que demostrar que el aire tiene peso es tan sencillo como tomar dos globos—uno desinflado y otro inflado con el aire de nuestros pulmones—y pesarlos con una balanza analítica. Sin embargo, la realidad es bastante más compleja debido al efecto de la fuerza boyante. Para medir la masa de un objeto, lo que realmente hacemos es medir su peso, que es la fuerza gravitatoria que la Tierra ejerce sobre dicho objeto, y luego convertir ese valor en una magnitud de masa. Este procedimiento solo funciona si la densidad del medio que rodea al objeto es despreciable en comparación con la del objeto mismo. Y aunque esto es válido para la mayoría de los sólidos, no lo es en el caso de un globo inflado con aire, cuya densidad es comparable a la del aire circundante. En ese caso, la fuerza boyante altera significativamente el resultado.

Figura 1. Comparar globos inflados y desinflados para mostrar que el aire tiene masa resulta ingenuo, pues no considera la fuerza boyante, la humedad del aire exhalado ni la baja densidad del aire, que generan errores sistemáticos en la medición. Aunque es un recurso didáctico que estimula la curiosidad, carece de la rigurosidad científica para demostrar que el aire posee masa.

En la Grecia clásica, este problema era aún más difícil de abordar, ya que no contaban con globos modernos. Aun así, ya existía la intuición de que el aire tenía peso. En su obra De Caelo (Libro IV.4), Aristóteles describe un experimento con vejigas animales infladas, donde se comparaba el peso de una vacía con otra llena de aire. Observaban que la vejiga inflada pesaba más, lo cual servía como evidencia empírica de que el aire tenía masa. Este razonamiento se asemeja al principio que más tarde utilizaría Arquímedes en su famosa balanza hidroestática.

El argumento de Aristóteles fue ampliamente aceptado durante la Edad Media, aunque, como suele ocurrir en la historia de la ciencia, pudo haber sido un caso de tener razón por las razones equivocadas: un ejemplo de lo que hoy conocemos como un problema de Gettier. Más adelante, Galileo Galilei cuestionó la validez de este tipo de experimentos. Señaló que al inflar una vejiga con los pulmones, también se introduce humedad, lo que significa que el aumento de peso podría no deberse al aire, sino al agua presente en forma de vapor, proveniente del interior del cuerpo humano.

Figura 2. El empuje actúa sobre todo cuerpo en un fluido, pero en el aire es tan pequeño que puede ignorarse salvo en mediciones de gran precisión. En cambio, en el agua, mucho más densa, el empuje es considerable y reduce el peso aparente. Esto explica la sensación de ligereza al nadar y la flotación de los barcos.

De hecho, el aire que exhalamos contiene vapor de agua mezclado con otros gases, ya que se ha saturado de humedad al pasar por nuestras vías respiratorias. Por tanto, si repetimos el experimento de los globos inflándolos con aire de los pulmones, el resultado sigue siendo ambiguo: estaríamos introduciendo aire húmedo desoxigenado, lo cual impide discernir cuánto del peso adicional se debe al aire propiamente dicho y cuánto al contenido de agua. Adicionalmente, hay un segundo problema fundamental: la fuerza boyante.

Todos los cuerpos sumergidos en un fluido experimentan un empuje hacia arriba, y el aire no es la excepción. Aunque este empuje suele ser despreciable en objetos pesados, se vuelve crítico cuando se trabaja con materiales ligeros, como los globos. Si tratamos de pesar un globo inflado con una balanza analítica, el resultado estará alterado por la boyancia del aire circundante, que “alivia” parte del peso del globo, impidiendo que se registre su masa real.

Un ejemplo cotidiano de esta fuerza boyante es lo difícil que resulta mantener una pelota de playa sumergida bajo el agua. El agua ejerce una presión creciente con la profundidad, generando una fuerza ascendente proporcional al volumen del objeto sumergido. Esta misma lógica se aplica al aire, aunque en menor magnitud: la presión atmosférica decrece con la altura, y eso crea un empuje hacia arriba sobre los objetos suspendidos en el aire. Esta fuerza, aunque sutil, basta para sesgar las mediciones de masa cuando se trabaja con gases o materiales livianos.

 Figura 3. El diseño experimental compara la medición de una masa en aire y en vacío para calcular la fuerza boyante. La diferencia entre ambas lecturas permite corregir los valores en balanzas de precisión. Este procedimiento exige controlar variables como densidad del aire, temperatura y humedad, y considerar la incertidumbre, garantizando así mayor exactitud y trazabilidad en la metrología.

Estos obstáculos no fueron resueltos en vida de Galileo, quien estaba ocupado con sus enfrentamientos con la Iglesia y otros desafíos científicos. La solución fue propuesta por su discípulo, Evangelista Torricelli, quien comprendió que para medir la masa real del aire, era necesario aislar el sistema de la fuerza boyante. La clave fue el desarrollo de la bomba de vacío.

Figura 4. En 1776, Dmitry Levitzky retrató a Catherine Molchanova, estudiante del Instituto Smolny, junto a una bomba de vacío, símbolo de la unión entre arte y ciencia en la Ilustración rusa. La obra resalta la curiosidad intelectual y el papel de la mujer en la educación, convirtiéndose en un testimonio del espíritu progresista y del valor del conocimiento en el siglo XVIII.

Para pesar un gas con precisión, primero se debe pesar una masa patrón en el aire, y luego en un recipiente donde se ha creado un vacío parcial o total mediante una bomba de vacío. La diferencia entre ambas mediciones revela el valor de la fuerza boyante ejercida por el aire sobre la masa patrón. Con esta diferencia, se puede corregir cualquier otra medición hecha en presencia de aire, y obtener así la masa verdadera del gas o sustancia que se quiere analizar.

Este procedimiento experimental fue crucial para el desarrollo de la química moderna, al permitir mediciones más precisas de las propiedades físicas de los gases.

La bomba de vacío tiene antecedentes históricos interesantes. Su precursora fue la bomba de succión, un mecanismo conocido desde la antigüedad. Se han hallado ejemplos en la ciudad romana de Pompeya, y más tarde, en el siglo XIII, el ingeniero árabe Al-Jazari describió bombas de succión de doble acción como parte de sus mecanismos hidráulicos. En Europa, este tipo de bombas reaparecieron en la Edad Media a partir del siglo XV.

Durante el siglo XVII, estas bombas alcanzaron tal perfección técnica que permitían generar vacíos medibles, aunque su funcionamiento no se comprendía del todo. Un problema práctico llevó a su estudio: las bombas de succión no podían elevar agua más allá de cierta altura (aproximadamente 10 metros). Este fenómeno fue observado hacia 1635 en Florencia y se convirtió en un desafío técnico importante en proyectos de irrigación y drenaje de minas. El Duque de Toscana encargó a Galileo investigar el fenómeno. Galileo propuso erróneamente que la columna de agua colapsaba por su propio peso al superar esa altura.

Otros científicos siguieron investigando. Gasparo Berti, en 1639, construyó el primer barómetro de agua en Roma, que producía un vacío parcial en la parte superior del tubo, aunque no supo explicar su origen. Fue Torricelli, en 1643, quien construyó el primer barómetro de mercurio y propuso con argumentos convincentes que el espacio vacío sobre la columna era, de hecho, un vacío real. Determinó que la altura de la columna estaba limitada por la presión atmosférica, lo que resolvía el misterio del límite de succión.

Poco después, en 1650, Otto von Guericke inventó la primera bomba de vacío efectiva, y en 1654 realizó el famoso experimento de los hemisferios de Magdeburgo, demostrando que ni dos equipos de caballos podían separar dos semiesferas de las que se había evacuado el aire.

Robert Boyle, junto con Robert Hooke, mejoró el diseño de la bomba de Guericke. Gracias a ellos, fue posible estudiar las propiedades del vacío, realizar experimentos de compresibilidad de gases, y sobre todo, pesar gases con correcciones precisas por fuerza boyante, inaugurando así una nueva etapa en la historia de la ciencia experimental.

Referencias

Coulston, C. (1960). The Edge of Objectivity: An Essay in the History of Scientific Ideas.

Safley, T. M. (2018). Mercury mining and miners: the transition from boutique metal to strategic commodity in the 16th century. In Labor Before the Industrial Revolution (pp. 198–231). Routledge.

Shapiro, S. (1964). The origin of the suction pump. Technology and Culture, 5(4), 566–574.

Solari, G. (2019). The Wind and the New Science. In Wind Science and Engineering (pp. 87–167). Springer.