HUMOR CIENTÍFICO

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FRASES CÉLEBRES (DE CIENCIA)

"Locura es hacer la misma cosa una y otra vez esperando obtener diferentes resultados" A. Einstein

jueves, 24 de enero de 2019

¡FRÍO ABSOLUTO!


     Muchas veces me sorprende el desconocimiento que muestran alumnos de procesos o conceptos científicos que llevan estudiando de forma repetida a lo largo de muchos años. El asombro pinta en sus rostros cuando consigo que visualicen el azaroso viaje del oxígeno desde el aire hasta sus células ( y el viaje de vuelta del CO2) y el objetivo que este proceso cumple en nosotros.
Y todo ello a pesar de tener  la costumbre de respirar continuamente.
    Otros de estos conceptos son los de calor y temperatura. Les sorprende que las palabras “frio” o caliente” sean algo relativo: si introducimos una mano en agua a 40 ºC  decimos que está fría si la otra mano se introduce en agua a 60 ºC, pero decimos que está caliente si el otro recipiente contiene agua a 20 ºC.
    Se extrañan cuando afirmo que el frio no existe. Sólo existe el calor. Claro que me refiero al calor como magnitud física, no como sensación. Todos ellos han observado que al poner un cuerpo caliente en contacto con otro frío, empieza a pasar energía del caliente al frío, hasta que se igualan las temperaturas. Esa “energía en tránsito” es lo que los físicos llaman calor.
    La temperatura, sin embargo, es una medida de la cantidad de energía que contiene un cuerpo y que puede ser “sacada” en forma de calor. Es decir, mide de alguna manera la cantidad de energía térmica que contiene un cuerpo. Cuando un cuerpo cede energía térmica a otro, observamos que ser transfiere calor. Los objetos tienen energía térmica pero no tienen “calor” (ni mucho menos “frio”).
    ¿Confundidos?. No se preocupen es normal estarlo. Son conceptos tan  esquivos, que a los científicos les costó mucho entenderlos o medirlos con precisión. Pensemos en la temperatura.
    Los primeros intentos para fabricar un termómetro datan del siglo XVI pero no fue hasta un siglo después cuando Farenheit y Celsius (en 1742) fabricaron termómetros con una precisión aceptable y  con una escala asociada. Para ello  se necesitaba una propiedad que variase de forma proporcional a la temperatura, a fin de relacionar ambas.
    Se basaron en el aumento de volumen del mercurio con la temperatura. Se introduce mercurio en un bulbo unido a un tubo muy fino (un capilar). Al aumentar la temperatura el mercurio se dilata y sube por el capilar.
   Para fabricar el termómetro asignamos de forma arbitraria (a nuestra elección) dos valores de temperatura a dos situaciones en las que sepamos que la temperatura se mantiene constante. Celsius eligió 0 ºC (Farenheit 32) para la temperatura de fusión del agua (cuando coexisten agua en estado líquido y sólido y la temperatura es fija)  y 100 ºC (212 ºF) para la de ebullición. Si dividimos en 100 partes iguales la zona de capilar entre los dos puntos a los que ha llegado el mercurio tenemos la escala centígrada.

   Sin embargo este tipo de escalas no esa aceptable en física porque la temperatura medida depende de la naturaleza de la sustancia usada (los valores medidos por un termómetro de mercurio y uno de alcohol son diferentes). Además no hay una proporcionalidad entre la temperatura y la energía térmica contenida en la sustancia.
     Estos inconvenientes fueron subsanados por William Thompson (lord Kelvin) en 1848. Su escala de temperatura es absoluta: no depende de la naturaleza de la sustancia y la temperatura es proporcional a la energía térmica contenida en ella y se relaciona con  la velocidad con la que se mueven los átomos y moléculas que forman los cuerpos.
     ¿Existen límites en los valores que puede alcanzar la temperatura?. Resulta que no lo hay  para la temperatura máxima que un objeto puede alcanzar pero si para su valor inferior y es 0 K. Este valor se conoce como cero absoluto de temperatura y es inalcanzable. No se trata de que no tengamos la tecnología para ello, es que es imposible que un cuerpo llegue a tener dicho valor. ¿Por qué?.
     La Física clásica tiene al menos tres respuestas para ello:
     Respuesta 1: según la Física clásica la materia está formada por átomos y moléculas en continuo movimiento al azar. En los gases las moléculas se  mueven con casi total  libertad mientras que en los líquidos se mueven menos libremente  pero permaneciendo juntas. Si bajamos mas la temperatura las moléculas se quedan en posiciones fijas, vibrando,  y tenemos un sólido. Pero a 0 K las partículas estarían quietas, lo que va en contra de nuestra descripción de cómo es la materia, lo que es absurdo.
    Respuesta 2: Se sabe (Ley de Charles) que el volumen de un gas es directamente proporcional a su temperatura si mantenemos constante su presión. Si medimos ambos valores se obtiene la gráfica de la figura. Prolongando la gráfica hacia atrás encontramos que a – 273’15 ºC (0 K) el volumen del gas es cero. ¡Pero un gas real cualquiera no puede tener volumen cero, ya que sus moléculas ocupan espacio!. Por lo tanto 0 K es imposible de alcanzar.

    Respuesta 3: Una máquina térmica es aquella que hace un trabajo extrayendo calor de un foco caliente y enviando calor a un foco frío ( La máquina de vapor es una máquina térmica, en la que la caldera es el foco caliente, la atmósfera el foco frío y el movimiento del tren es el trabajo realizado). El trabajo realizado es la diferencia entre ambos calores (de acuerdo al principio de conservación de la energía).
   La eficiencia ( E ) de nuestra máquina es el trabajo realizado entre la energía consumida  E = W/Qc.  La máxima eficiencia se consigue cuando toda la energía consumida se convierte en trabajo y vale 1 (ya que W = Qc).

   Además E = W/Qc = (Qc - Qf) / Qc = 1 – Qf/Qc. 
  Pero la definición de temperatura nos garantiza que (y aquí deben creer que no les engaño) podemos escribir que Qf/Qc = Tf/Tc. Si esto es verdad, la máxima eficiencia se conseguirá cuando el cociente Tf/Tc valga cero. Para conseguirlo tenemos dos opciones: o usamos un foco caliente a temperatura infinita (absurdo) o un foco frío a 0 K. 
    Se puede decir entonces que  una máquina térmica de máxima eficacia se corresponde a una temperatura de 0 K en el foco frío pero… ¡no pueden existir máquinas térmicas de eficiencia máxima!.  Es imposible transformar toda la energía consumida en trabajo, ya que el rozamiento entre las partes que componen la máquina y entre ésta y el medio disipan parte de la energía consumida en forma de calor. Lo que nos lleva otra vez a concluir que 0 K es un límite inalcanzable.

  Así que  según a Física clásica 0 K es inalcanzable. ¿Qué dirá la nueva Física nacida de la revolución científica del siglo XX?.
   La base de la Física moderna es la dualidad onda-corpúsculo, lo que significa que los átomos y las partículas elementales (electrones, protones) se pueden comportar como partículas o como ondas (nunca las dos cosas a la vez) según el experimento que el observador le proponga. No se trata de dos comportamientos diferentes, sino de una naturaleza única que puede presentarse como dos aspectos muy distintos.
  Otro principio básico es el conocido como el principio de incertidumbre de Heisenberg, que nos dice que no podemos conocer con exactitud y a la vez la posición y velocidad de las partículas . Aunque muchos filósofos han querido interpretar esto como una mera limitación a la precisión con la que podemos realizar las medidas, el principio de Heisenberg es parte de la naturaleza mas íntima de la realidad y subyace en la misma esencia de la dualidad antes comentada.
  Ambos principios llevan a decir a la nueva Física que el cero absoluto no se puede alcanzar: si lo pudiéramos hacer las partículas estarían quietas (recuerden que 0 K significa velocidad cero de las partículas que componen la sustancia). Unas partículas  quietas significa violar ambos principios: sabríamos con exactitud y la vez dónde está la partícula y con qué velocidad (0) y además excluiríamos la posibilidad del comportamiento ondulatorio de la partícula, ya que una onda está deslocalizada en el espacio (igual que una ola ocupa parte de la superficie del estanque).

   ¿Lo tienen claro?.
    Pues ahora les vuelvo a confundir: una temperatura kelvin negativa es posible de imaginar para los físicos, que la interpretan como que el sistema está más “caliente” que otro con temperatura positiva  ( y mas caliente que el cero absoluto).
  ¿Cómo que “mas caliente”?. Pues sí, un objeto con temperatura negativa absoluta cede calor a uno con temperatura positiva, luego está mas caliente.
  No, no piensen que están locos: ya se ha conseguido "calentar” cien  mil átomos de potasio a unas milésimas de kelvin por debajo del cero absoluto.

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