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.
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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