¿Qué es el cero absoluto?

La nebulosa Boomerang
Nebulosa Boomerang, uno de los lugares más fríos del Universo: tan solo 1 K.
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El cero absoluto es el límite inferior que se puede alcanzar en cualquier escala de temperatura termodinámica. Se corresponde con los 0 K (cero grados Kelvin), igual a -273.144 ºC (grados celsius o centígrados). También se corresponde con los 0 ºR (escala Rankine) y los -459.67 grados F (Fahrenheit).

El cero absoluto es una temperatura a la cual las partículas fundamentales muestran movimiento vibracional mínimo, solo muestran características propias de la mecánica cuántica. Es la temperatura mínima medida cuando la sustancia no contiene calor, pues el frío técnicamente no existe, existe la ausencia o presencia de calor. Una sustancia que alcanza el cero absoluto no retiene energía térmica alguna. Nada puede estar más frío.

El cero absoluto se ha obtenido teóricamente por extrapolación de la ley de los gases ideales, coincidiendo con la temperatura en la que un gas ideal alcanza el valor mínimo de entalpía y de entropía. En otras palabras, es la temperatura mínima alcanzable según las leyes conocidas de la termodinámica.

Aunque el cero absoluto se defina como la menor temperatura posible, y aunque se defina como el valor mínimo de entalpía para un gas ideal, no se corresponde con la menor entalpía posible. Esto se debe sencillamente a que cualquier sustancia real se desvía de las propiedades y características de un gas ideal.

Conseguir que una sustancia alcance un estado de cero energía térmica es prácticamente imposible, pero se ha llegado muy cerca. En 1995, el NIST llegó al récord de menor temperatura alcanzada hasta la fecha: 170 nK (nanokelvin, la billonésima parte de 1 K). En 2003, en el MIT, se llegó a los 0.45 nk (450 pK o picokelvin). La temperatura media del espacio profundo se ha determinado aproximadamente en 2.725 k, y la NASA se propuso batir este récord en el 2017 en su Cold Atom Lab.

En estas temperaturas tan próximas al cero absoluto, las sustancias comienzan a mostrar fenómenos cuánticos incluso a escala macroscópica, por ejemplo el estado de superfluidez, la superconductividad o el condensado de Bose-Einstein.

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Uno de los ejemplos de superluidez mejor estudiado es el del helio. En las proximidades del cero absoluto el helio permanece en estado líquido pero no presenta viscosidad, o más bien su viscosidad es cero, y su fluidez no se ve restringida por la tensión superficial que presenta cualquier líquido normal. El helio líquido fluye sin cesar impulsado por la denominada energía del punto cero, la menor energía que puede tener un sistema en la mecánica cuántica. En este estado, el helio se comporta como un superfluido.

Kelvin y escalas de temperaturas absolutas

Las escalas de temperaturas absolutas, también llamadas escalas termodinámicas, son escalas para medir la temperatura que parten del punto cero establecido por la tercera ley de la termodinámica. En el Sistema Internacional de Unidades, la escala de temperatura absoluta adoptada en la actualidad es la escala Kelvin.

La escala Kelvin fue desarrollada por William Thomson (1er Baron Kelvin) en 1848. Parte del punto cero de la citada tercera ley y a partir de ahí establece incrementos equivalentes a los grados celsius. 1 grado Kelvin y 1 grado celsius tiene la misma magnitud, el mismo tamaño.

Otra escala absoluta es la escala Rankine, desarrollada por William John Macquorn Rankine en 1859. Es similar a la escala Kelvin pero la escala Rankine realiza incrementos equivalentes a la escala Fahrenheit. Tanto Rankine como Kelvin trabajaban en la Universidad de Glasgow (Escocia, Reino Unido).

En las escalas de temperaturas absolutas, en teoría, el cero es el límite inferior. No hay temperaturas negativas como puede haber en las escalas Celsius y Fahrenheit, por eso se le llama cero absoluto. No obstante, ciertos sistemas pueden alcanzar temperaturas absolutas negativas, es decir, su temperatura termodinámica expresada en grados Kelvin puede ser negativa.

En la mayoría de sistemas al añadir energía aumenta la entropía, y con ello la temperatura. Pero existen sistemas que al llegar a la máxima cantidad de energía que pueden contener, su entropía comienza disminuir si se sigue añadiendo energía, y como la temperatura se define a través de la entropía, esta se puede volver negativa incluso en escalas absolutas. En el año 2013 se anunció por primera vez la creación de un gas cuántico de potasio con temperatura absoluta negativa.

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Estos sistemas con temperatura por debajo del cero absoluto, sin embargo, se compartan como sustancias muy calientes. Al tener exceso de energía, aunque sea con baja entropía, cuando entran en contacto con otra sustancia le ceden el exceso energía, aún cuando esta segunda sustancia tenga mayor temperatura. Es uno de los raros fenómenos que obedecen a la mecánica cuántica y ejemplo muy claro de que calor y temperatura no son lo mismo.

Alcanzar el cero absoluto es matemáticamente imposible

Aunque se hayan conseguido estados de temperaturas absolutas negativas, alcanzar el cero absoluto se ha demostrado imposible desde un punto de vista matemático: no se puede enfriar una sustancia hasta el cero absoluto en un tiempo finito.

Según la tercera ley de la termodinámica, para alcanzar el cero absoluto la entropía del sistema también tiene que ser cero, pero ningún sistema real puede alcanzar un estado entropía cero. Además, obedeciendo la segunda ley de la termodinámica, un sistema tan frío siempre estará absorbiendo cierta cantidad de energía térmica de su alrededor, que estaría más caliente.

Esta asunción se pudo demostrar matemáticamente: el límite de temperatura se aproxima al cero absoluto de forma tangencial, alcanzar el cero absoluto solo sería posible si se dispusiera de un tiempo infinito.

Entropía límite cero

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Referencias
  1. Philip Yam. Exploiting Zero-point Energy. Scientific American Magazine, Diciembre 1997, pp. 82-85.
  2. Merali, Zeeya (2013). Quantum gas goes below absolute zero. Nature. doi: 10.1038/nature.2013.12146.
  3. CUORE: The Coldest Heart in the Known Universe. INFN Press Release.
  4. Dave Goldberg. (30 Febrero 2012). Why can't we get down to absolute zero?. io9.