Cero absoluto
En matemáticas, no hay un número más pequeño. Siempre es posible encontrar un número menor que cualquier número dado. Cero no es el número más pequeño porque cualquier número negativo es más pequeño que cero. La recta numérica se extiende hasta el infinito en las direcciones positiva y negativa. Sin embargo, al medir cosas, a menudo es necesario tener un número más pequeño. Si se detiene un automóvil, no puede ir más lento. La escala de temperatura también tiene la temperatura más baja posible, llamada “cero absoluto”. Esto es algo confuso, porque las temperaturas medidas en las escalas Fahrenheit o Celsius son a menudo negativas. En algunos países, las temperaturas bajo cero son bastante comunes en el invierno. Entonces, antes de hablar del cero absoluto, se deben explorar algunas escalas de temperatura.
Escalas de temperatura
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En los Estados Unidos, las temperaturas generalmente se informan en la escala de temperatura Fahrenheit. En esta escala, el agua se congela a 32 ° F y el agua hierve a 212 ° F. Las temperaturas bajo cero (“temperaturas negativas”) son comunes, especialmente en los estados del norte. Por lo tanto, 0 ° F no es la temperatura más fría posible.
Las mediciones científicas de temperatura en los Estados Unidos y en la mayoría de los otros países utilizan la escala de temperatura Celsius. En esta escala, el agua se congela a 0 ° C y el agua hierve a 100 ° C. Sin embargo, 0 ° C no es la temperatura más fría posible. En algunas partes de los Estados Unidos, pueden pasar días o semanas en invierno cuando la temperatura nunca sube por encima de 0 ° C.Por lo tanto, 0 ° C tampoco es la temperatura más fría posible. Sin embargo, hay una temperatura más fría posible en las escalas Fahrenheit y Celsius, llamada cero absoluto. *
* El cero absoluto en la escala Fahrenheit es – 459 grados.
Determinación del cero absoluto
Supongamos que se realiza un experimento para determinar si hay una temperatura más baja posible. El gas helio se coloca en un cilindro con un manómetro. El helio se elige porque los átomos son muy pequeños y las fuerzas de atracción entre los átomos de helio también son muy pequeñas. Un gas cuyos átomos no ejercen fuerzas entre sí y cuyos átomos no tienen volumen se llama “gas ideal”. Los gases ideales no existen, pero el helio se comporta como un gas ideal si la temperatura es relativamente alta (temperatura ambiente) y la presión es baja (presión atmosférica).
El cilindro y el gas tienen una temperatura inicial de 25 ° C. El cilindro se coloca en un refrigerador y la temperatura en el refrigerador se reduce a 15 ° C. La presión del gas en el cilindro también disminuye (porque las moléculas de gas están va más lento). Si la temperatura baja a 5 ° C, la presión bajará aún más. Esto se hace varias veces más y se dibuja un gráfico de los datos (ver figura).
Observe que todos los puntos de datos caen a lo largo de una línea recta. Ahora se puede preguntar, ¿a qué temperatura no tendrá presión el gas? Por supuesto, un gas real se convertirá en líquido o sólido a baja temperatura, pero la temperatura a la que un gas ideal no tendría presión puede extrapolarse. Esta temperatura resulta ser aproximadamente -273 ° C.
Aunque elegimos gas helio para nuestro experimento mental, el tipo de gas no es crítico. A temperaturas suficientemente altas y presiones bajas, la mayoría de los gases se comportan como gases ideales. En consecuencia, a temperaturas y presiones bajas apropiadas, todos los gases se comportan como si no tuvieran presión a -273 ° C. Esta temperatura se conoce como cero absoluto.
Escalas de temperatura absoluta. Los científicos han definido una escala de temperatura absoluta que comienza en cero absoluto y utiliza una unidad del mismo tamaño que el grado Celsius. Esta escala de temperatura absoluta se llama escala Kelvin. Esta escala de temperatura no usa un símbolo de grado. La unidad de temperatura es el kelvin. En esta escala, el agua se congela a 273 K (leída como 273 kelvin) y hierve a 373 K. También hay una escala de temperatura absoluta, llamada “escala de Rankine”, que utiliza una unidad del mismo tamaño que el grado Fahrenheit. Sin embargo, rara vez se usa más, excepto en algunas aplicaciones de ingeniería en los Estados Unidos.
Logrando el Cero Absoluto. ¿Es posible construir un refrigerador que enfríe un objeto a cero absoluto? Sorprendentemente, la respuesta es no. No se trata solo de construir un refrigerador mejor. Hay razones teóricas por las cuales es imposible alcanzar una temperatura de cero absoluto. La imposibilidad de alcanzar el cero absoluto se suele llamar la tercera ley de la termodinámica. Pero aunque prohíbe alcanzar el cero absoluto, no impide obtener temperaturas tan cercanas al cero absoluto como deseamos.
Bajas temperaturas en la naturaleza
¿Cuáles son las temperaturas más bajas que ocurren en la naturaleza? La temperatura natural más baja jamás registrada en la Tierra fue de −89 ° C (registrada en Vostok, Antártida el 21 de julio de 1983). Otros objetos en el sistema solar pueden tener temperaturas superficiales mucho más bajas. El Voyager 2 observó que Tritón, un satélite de Neptuno, tenía una temperatura superficial de 37 K, lo que lo convierte en el lugar más frío conocido en el sistema solar. Hace tanto frío que el nitrógeno se congela en la superficie, haciendo lo que parece una escarcha rosada. Tritón tiene géiseres de nitrógeno cuando el nitrógeno líquido debajo de la superficie es vaporizado por alguna fuente interna de calor. La superficie tiene lagos de agua congelada. Plutón es solo un poco más cálido que Tritón, con una temperatura de alrededor de 40 K a 60 K.
Se podría pensar que el espacio vacío es muy frío. Sin embargo, la mayoría del espacio no está realmente vacío. El espacio entre los planetas no es tan frío como la superficie de algunos de los planetas. Los pocos átomos y moléculas en el espacio interplanetario tienen una alta energía cinética (debido a los campos magnéticos planetarios y al viento solar ), por lo que tienen una temperatura relativamente alta. Sin embargo, este gas caliente no calentará un objeto en el espacio, porque hay muy pocos átomos en el vacío del espacio interplanetario.
Los espacios entre estrellas también pueden tener temperaturas bastante altas por la misma razón que el espacio interplanetario. El espacio interestelar puede llenarse con gas caliente y brillante, calentado por estrellas cercanas o fuertes campos magnéticos estelares . El gas interestelar a veces puede tener una temperatura de millones de grados Kelvin. Sin embargo, los átomos de gas están muy separados, más separados que incluso en el mejor vacío de laboratorio posible.
El espacio intergaláctico es muy frío. La radiación que queda del Big Bang al comienzo del universo tiene una temperatura de aproximadamente 2.73 K. Sin embargo, en la Tierra hemos podido producir temperaturas mucho más bajas en los laboratorios.
Bajas temperaturas artificiales
Aunque no se puede construir un refrigerador que alcance el cero absoluto, durante casi 100 años hemos sabido cómo construir un refrigerador que produzca una temperatura más baja que la temperatura natural más baja. El helio se licuó por primera vez en 1908 al comprimir y enfriar el gas. El helio hierve a 4.2 K. Al bombear rápidamente el vapor de helio, es posible bajar la temperatura a aproximadamente 1.2 K. Esto sucede porque los átomos de helio con más energía son los que escapan como vapor. Como resultado, el bombeo elimina los átomos de mayor energía y deja los átomos con menor energía cinética.
El isótopo más común de helio es helio-4. Tiene dos neutrones y dos protones en su núcleo. El helio-3 solo tiene un neutrón en su núcleo. Al licuar y bombear en un contenedor de helio-3, es posible producir una temperatura de alrededor de 0.3 K. Esta temperatura es increíblemente fría, pero incluso se han registrado temperaturas más bajas.
Una mezcla de helio-3 y helio-4 puede producir temperaturas aún más bajas. A temperaturas inferiores a 1.0 K, la mezcla se separará en helio-3 puro y una solución saturada de helio-3 disuelto en helio-4. Si los átomos de helio-3 se bombean lejos de la mezcla, se disolverán más átomos de helio-3 de la capa de helio-3 puro en la mezcla. Como podría esperarse, los átomos de helio-3 con más energía son los que se moverán hacia la mezcla, dejando atrás átomos de helio-3 de menor energía. Esta técnica ha producido temperaturas tan bajas como 0.002 K.
Es posible producir temperaturas aún más bajas utilizando trampas magnéticas y otros dispositivos. A estas temperaturas extremadamente bajas, se hace cada vez más difícil establecer una definición precisa de temperatura. El núcleo de un átomo, los electrones de conducción del átomo y el átomo en sí pueden tener diferentes temperaturas. La temperatura más baja producida para el helio líquido es de 90 micro Kelvin.
El intento de producir temperaturas cada vez más bajas no es solo competencia por el bien de la competencia. La tecnología desarrollada para producir y medir bajas temperaturas tiene amplias aplicaciones en otros campos. Además, el comportamiento de los materiales a temperaturas extremadamente bajas pone a prueba los límites de nuestra comprensión teórica de la materia misma. Por ejemplo, en 1996 Eric Cornell y un equipo de investigación utilizaron trampas magnéticas para producir un nuevo estado de la materia, llamado “condensado de Bose-Einstein”. La existencia de este estado de la materia confirmó nuestra comprensión de las propiedades mecánicas cuánticas de la materia.
Fuente: Enciclopedia.com | Enciclopedia en línea gratis
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