Cero absoluto

El cero absoluto es la temperatura más baja posible. A esta temperatura el nivel de energía interna del sistema es el más bajo posible, por lo que las moléculas, según la mecánica clásica, carecen de movimiento;^[1]​ no obstante, según la mecánica cuántica, el cero absoluto debe tener una energía residual, llamada energía de punto cero, para poder así cumplir el principio de indeterminación de Heisenberg. El cero absoluto sirve de punto de partida tanto para la escala de Kelvin como para la escala de Rankine.^[2]​ Así, 0 K (o lo que es lo mismo, 0 R) corresponden, por definición según acuerdo internacional, a la temperatura de −273,15 °C o −459,67 °F.^[3]​

Según el tercer principio de la termodinámica, el cero absoluto es un límite inalcanzable. En septiembre de 2014, los científicos de la colaboración CUORE en el Laboratori Nazionali del Gran Sasso en Italia enfriaron un recipiente de cobre con un volumen de un metro cúbico a 0.006 kelvins (−273.144 °C) durante 15 días, estableciendo un récord para la temperatura más baja registrada en el universo conocido sobre un volumen contiguo tan grande. La dificultad para llegar a una temperatura tan baja en una cámara de enfriamiento es el hecho que las moléculas de la cámara, al llegar a esa temperatura, no tienen energía suficiente para hacer que esta descienda aún más.

La entropía de un cristal ideal puro y perfecto sería cero. Si los átomos que lo componen no forman un cristal perfecto, su entropía debe ser mayor que cero, por lo que la temperatura siempre será superior al cero absoluto y el cristal siempre tendrá imperfecciones inducidas por el movimiento de sus átomos, necesitando un movimiento que lo compense y, por lo tanto, teniendo siempre una imperfección residual.

Cabe mencionar que a 0 K todas las sustancias conocidas se solidificarían excepto el helio y que según el actual modelo del calor, las moléculas perderían toda capacidad de moverse o vibrar.

Hasta ahora la temperatura más cercana al cero absoluto ha sido obtenida en laboratorio por científicos del MIT en junio del 2015. Se obtuvo enfriando un gas en un campo magnético hasta 500 nanokelvin (5·10⁻⁹ K) por encima del cero absoluto.^[4]​

Fenómenos cerca del cero absoluto

 

Condensado de Bose-Einstein en un átomo de rubidio. El color rojo indica una velocidad elevada, y el blanco-azulado una baja velocidad. La imagen de la derecha es la muestra más fría de las tres.

Al aproximarse al cero absoluto se pueden producir en algunos materiales ciertos fenómenos, como el condensado de Bose-Einstein, o algunos superfluidos como el helio II.

En 1924, Albert Einstein y el físico indio Satyendranath Bose predijeron la existencia de un fenómeno denominado condensado de Bose-Einstein. En dicho estado, los bosones se agrupan en el mismo estado cuántico de energía. Este fenómeno se confirmó en 1995, y desde entonces se han investigado muchas de sus propiedades.

A temperaturas muy próximas al cero absoluto se pueden formar superfluidos, o incluso frágiles moléculas que no existen a mayores temperaturas para su estudio, entre otros fenómenos.

En la actualidad se puede encontrar una aplicación práctica en el acelerador de partículas LHC del CERN.^[5]​ El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) alcanza una temperatura de 1,9 K. Los experimentos que se llevarán a cabo en este acelerador de partículas requieren la criogenización de ciertos circuitos para conseguir superconductores. Esto es posible gracias a la combinación de compresores de helio alimentados con nitrógeno líquido, el cual entra a los circuitos aproximadamente a 80 K (−193,15 °C) para ir bajando de temperatura en su transcurso por el circuito de los 3 compresores.^[6]​ La temperatura más baja alcanzada en el LHC es de 1,8 K.^[6]​

Historia

 

Robert Boyle fue pionero en la idea de un cero absoluto.

Uno de los primeros científicos que discutió la posibilidad de una temperatura mínima absoluta fue Robert Boyle. Su texto de 1665 New Experiments and Observations touching Cold (Nuevos experimentos y observaciones acerca del cero absoluto ), articula la disputa conocida como el primum frigidum.^[7]​ El concepto era bien conocido entre los naturalistas de la época. Algunos sostenían que esa temperatura mínima absoluta se producía dentro de la Tierra (dado que era uno de los llamados cuatro "elementos"), otros que dentro del agua y otros que en el aire, y algunos más recientemente en el nitro. Aunque todos ellos parecían estar de acuerdo en que: «Hay un cuerpo u otro que por su propia naturaleza es sumamente frío y que por su participación todos los demás cuerpos obtienen esa calidad».^[8]​

Límite para el "grado de frío"

La cuestión de si existía un límite para el grado de frío posible y, si así fuese, dónde se debía colocar el cero, fue abordada por primera vez por el físico francés Guillaume Amontons en 1702, en relación con su mejoras en el termómetro de aire. En su instrumento, las temperaturas estaban indicadas por la altura a la que era sostenida una columna de mercurio por una determinada masa de aire, el volumen, o "primavera", que variaba con el calor a la que estuviera expuesta. Por ello Amontons argumentó que el cero de su termómetro sería la temperatura a la cual el volumen del aire en él se redujese a nada. En la escala que utilizó, el punto de ebullición del agua se marcó en +73 y el punto de fusión del hielo a los 51, por lo que el cero de su escala era equivalente a alrededor de −240 en la escala Celsius.^{[cita requerida]}

Esta aproximación al valor moderno de −273.15 °C del cero del termómetro de aire fue mejorada ulteriormente en 1779 por Johann Heinrich Lambert, quien observó que −270 °C podría considerarse como el frío absoluto.^[9]​

Los valores de este orden para el cero absoluto no eran, sin embargo, universalmente aceptados en la época. Pierre-Simon Laplace y Antoine Lavoisier, en su tratado sobre el calor de 1780, llegaron a valores que iban de 1500 a 3000 por debajo del punto de congelación del agua, y pensaron que, en cualquier caso, debía ser, por lo menos, de 600 menos. John Dalton en su Chemical Philosophy dio diez cálculos de este valor, y finalmente adoptó −3000 °C como el cero natural de la temperatura.

Trabajo de Lord Kelvin

Después de que James Prescott Joule hubiese determinado el equivalente mecánico del calor, Lord Kelvin abordó la cuestión desde un punto de vista totalmente diferente, y, en 1848, ideó una escala de temperatura absoluta, que era independiente de las propiedades de cualquier sustancia en particular y se basaba únicamente en las leyes fundamentales de la termodinámica. Partiendo de los principios de esa escala, situó su cero en −273.15 °C, en casi exactamente el mismo punto que el cero del termómetro de aire como también los especifica el gas de acetileno.^[10]​

Véase también

• Física
• Kelvin
• Rankine
• Termodinámica
• Energía del punto cero
• Temperatura absoluta

Referencias

1. Pierre J. Rapin – Prontuario del frío, p. 5, en Google Libros
2. von Reichenbach, María Cecilia; Bergero, Paula Elena; Álvarez, Ariel; del Río, Laura. Reichenbach, María Cecilia von, ed. Cero absoluto. Curiosidades de física. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET). p. 104. ISBN 978-950-692-088-3. 
3. Jerry D. Wilson, Anthony J Buffa – Física, p. 354, en Google Libros
4. . Massachusetts Institute of Technology, Massachusetts, Cambridge. Archivado desde el original el 18 de agosto de 2015. Consultado el 2 de octubre de 2019. 
5. «CERN Bulletin». 
6. «CERN Document Server: Record#834142: LHC: A cool 1.8 K is achieved for the first time». 
7. Stanford, John Frederick (1892). The Stanford Dictionary of Anglicised Words and Phrases. 
8. "There is some body or other that is of its own nature supremely cold and by participation of which all other bodies obtain that quality." Boyle, Robert (1665). New Experiments and Observations touching Cold. 
9. Lambert, Johann Heinrich (1779). Pyrometrie. Berlin. OCLC 165756016. 
10. . Encyclopædia Britannica (Undécima edición). The LoveToKnow Wiki. 1911. Archivado desde el original el 12 de diciembre de 2007. Consultado el 11 de febrero de 2008. 

Bibliografía

• Schachtman, Tom (1999). Absolute Zero and the Conquest of Cold. New York: Houghton Mifflin. pp. 272 págs. ISBN 0395938880. 

•   Datos: Q81182
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