Cero absoluto: temperatura y definición

Definición

A medida que elimina el calor de una sustancia, su temperatura desciende. Las partículas de la sustancia se mueven cada vez más lentamente. ¿Qué sucede si sigues quitando calor de la sustancia? Alcanzará una temperatura a la que casi se detiene el movimiento de las partículas. La temperatura se llama cero absoluto y es la temperatura más baja posible. Es igual a -273oC (-459oF). No se puede tener una temperatura inferior al cero absoluto. Puede pensar en el cero absoluto como la temperatura en la que las moléculas están completamente congeladas, sin movimiento. Técnicamente, las moléculas nunca se vuelven absolutamente inmóviles, pero la energía cinética es tan pequeña que podría llegar a ser cero.

Límites de temperatura

Se podría decir que un fuego está caliente y un congelador frío. Pero las temperaturas de los objetos cotidianos son solo una pequeña parte del amplio rango de temperaturas presentes en el universo, como se muestra en esta figura:

Algunas temperaturas diferentes presentes en el universo.

Las temperaturas en el universo van desde un poco por encima del cero absoluto hasta más de 10 a la décima potencia K. Las temperaturas no parecen tener un límite superior. El interior del Sol está al menos 1.5×10 elevado a la séptima potencia C. Los núcleos de supernova están aún más calientes. Por otro lado, los gases licuados pueden enfriarse mucho. Por ejemplo, el helio se licua a -269oC. Incluso se pueden alcanzar temperaturas más frías utilizando propiedades especiales de los sólidos, los isótopos de helio, los átomos y los láseres.

Las temperaturas, sin embargo, tienen un límite inferior. Generalmente, los materiales se contraen cuando se enfrían. Si un gas atómico ideal en un globo se enfriara a -273,15 ° C, se contraería de tal manera que ocuparía un volumen que es solo del tamaño de los átomos, y los átomos quedarían inmóviles. A esta temperatura, toda la energía térmica que podría eliminarse se ha eliminado del gas y la temperatura no se puede reducir más. Por tanto, no puede haber temperatura inferior a -273,15oC, lo que se denomina cero absoluto.

Ejemplos

Las escalas de temperatura Fahrenheit y Celsius tienen poco o nada que ver con la naturaleza fundamental del concepto de temperatura. Después de todo, el punto de congelación del agua a la presión atmosférica de la Tierra no tiene una relación obvia con ningún aspecto básico del Universo. Presumiblemente, un científico extraterrestre en un planeta que no tiene agua ideará un termómetro que mida la temperatura igualmente bien. Más concretamente, ¿podría haber un cero universal de temperatura vinculado a la esencia misma de la materia y la energía, un cero que todos los científicos (humanos o no) podrían descubrir? La respuesta es sí, y se llama cero absoluto de temperatura .

Veamos la historia de las mediciones de temperatura para comprender mejor la naturaleza del cero absoluto. Como tantas otras cantidades físicas, la temperatura se midió mucho antes de que se entendiera. Galileo parece haber inventado (hacia 1592) el primer dispositivo para indicar “grados de picor”. Como se muestra en la imagen de abajo, simplemente colocó el extremo de un matraz de cuello estrecho invertido, calentado en sus manos, en un recipiente con agua (o vino). A medida que se enfrió, se extrajo el líquido, llenando parcialmente el cuello.

El termoscopio inventado por Galileo

Este era el termoscopio de Galileo. No se llama termómetro porque la escala era arbitraria. El globo del tamaño de un huevo en la parte superior es el sensor. El gas que contiene se expande o contrae, y el nivel del líquido sube y baja.

El aire capturado en el bulbo en la parte superior se expandió o contrajo cuando posteriormente se calentó o enfrió, y la columna cayó o se elevó proporcionalmente. Se puede ver el mismo efecto al poner un globo inflado en el congelador. Las moléculas de gas dentro del globo lo mantienen inflado bombardeando constantemente las paredes internas. El enfriamiento del gas, eliminando la energía cinética de sus moléculas, disminuye su rebote y hace que el globo colapse.

Las aplicaciones médicas del termómetro se reconocieron casi de inmediato y la temperatura corporal normal se convirtió en un foco de interés. En 1631, J. Rey, un médico francés, invirtió el dispositivo de Galileo, llenó el bulbo con agua y dejó gran parte del tallo con aire. En esa configuración, que se parece más al termómetro actual, la expansión del líquido hace funcionar el dispositivo. Dentro de los 70 años de la invención de Galileo, se usaban termómetros sellados de bolsillo que contenían alcohol o mercurio.

Al explorar el comportamiento de la materia con la ayuda del termómetro, pronto se hizo evidente que había una serie de sucesos físicos que ocurrían a temperaturas fijas. En 1665, Boyle, Hooke y Huygens, científicos naturales europeos, reconocieron de forma independiente que ese hecho podría proporcionar un punto de referencia confiable para cualquier termómetro. Hooke sugirió usar el punto de congelación del agua y Huygens ofreció su punto de ebullición. En 1694, un científico italiano Carlo Rinaldini usó los puntos de congelación y ebullición del agua para estandarizar dos puntos muy espaciados en su termómetro.

Como veremos, la forma en que cualquier material (mercurio, alcohol, agua, vidrio, lo que sea) se expande al calentarse es característica de ese material. Lo que esto significa en la práctica es que los termómetros que difieren en su construcción física y, sin embargo, tienen los mismos dos puntos de referencia fijos, necesariamente coincidirán exactamente solo en esos dos puntos.

El rango de temperaturas con el que nos ocupamos es extenso, y ahora hay todo un arsenal de diferentes tipos de termómetros, cada uno con sus propias virtudes. El conocido instrumento de mercurio en vidrio solo es útil entre los puntos donde el mercurio se congela y el vidrio se derrite. Además, se puede usar de manera confiable solo cuando su presencia no afecta la temperatura que se está determinando. Si desea medir la temperatura de una pulga o una bola de fuego termonuclear, el antiguo modo de espera de mercurio en vidrio no será de mucha ayuda. En consecuencia, existen termómetros de resistencia eléctrica, termómetros ópticos, termopares y termómetros de gas de volumen constante, por nombrar algunos. De estos, el estándar de precisión y reproducibilidad sigue siendo el instrumento de gas de volumen constante como se muestra en la figura siguiente, aunque es grande, lento, delicado e inconveniente.

El termómetro de gas de volumen constante

En algún momento alrededor de 1702, Guillaume Amontons ideó una mejora en el termoscopio de Galileo que se ha convertido en el moderno termómetro de gas de volumen constante que se muestra aquí.

Echemos un vistazo a lo que sucede con un gas típico cuando se baja su temperatura.

La siguiente imagen muestra el comportamiento de un gas a volumen constante. A medida que el gas se enfría, sus átomos pierden parte de su energía térmica; viajan más lentamente y chocan con las paredes de la cámara con menos frecuencia y con menos fuerza. Como resultado, la presión en la cámara cae. Todos los gases se comportan esencialmente de la misma manera. Sus gráficas P versus T tienen diferentes pendientes, pero todas son líneas rectas y todas se dirigen hacia -273.15oC.

El comportamiento del gas a volumen constante.

La característica importante es que el gráfico es una línea recta: la presión cae linealmente hasta que el gas se licua y el proceso termina abruptamente. Sorprendentemente, todos los gases se comportan casi de la misma manera. Además, cuando la línea recta de cualquier gas se extiende hacia abajo, cruza el eje de presión cero a una temperatura de -273,15oC, o cero absoluto.

De manera similar, si la presión se mantiene constante, el volumen de un gas colapsará linealmente, acercándose nuevamente al eje de volumen cero a los mismos -273.15oC que en la figura siguiente. Ahora se cree que este punto es el límite mismo de la baja temperatura: el cero absoluto.

El comportamiento del gas a presión constante.

A medida que se reduce la temperatura de un gas, sus átomos son menos energéticos. Para mantener la presión constante, el volumen debe disminuir, lo que facilitará que los átomos golpeen las paredes de la cámara con frecuencia, manteniendo así la presión. Todos los gases se encogen hacia un volumen cero a T = -273.15oC.

Amontons, al estudiar el comportamiento de varios gases, mostró que cada volumen cambiaba en el mismo porcentaje para un cambio dado de temperatura. Astutamente, reconoció que una disminución de la presión hasta cero acompañaría a una disminución de la temperatura hasta algún valor límite de frialdad. Más tarde, JH Lambert repitió estos experimentos con mayor precisión y concluyó (ca. 1779) que efectivamente había un límite de temperatura. “Ahora, un grado de calor igual a cero”, escribió Lambert, “es realmente lo que podría llamarse frío absoluto”.

El cero absoluto ciertamente parece el lugar para comenzar una escala de temperatura. Aún así, la idea recibió poca atención durante más de medio siglo. Luego, en 1848, William Thomson (que luego se convertiría en Lord Kelvin), formalizó la idea teóricamente. Sobre la base de consideraciones termodinámicas muy diferentes, propuso una escala de temperatura absoluta que resultó estar en perfecta concordancia con los resultados del termómetro de gas de volumen constante.

Hoy en día, la referencia práctica de temperatura de laboratorio es el punto triple del agua: la circunstancia única de temperatura (0.01oC) y presión (610Pa) donde coexisten sólido, líquido y vapor. El cero absoluto (-273.15oC) y el punto triple (0.01oC) están separados por 273.16 grados Celsius.

Resumen de la lección

La temperatura más baja posible es el cero absoluto . No se puede tener una temperatura inferior al cero absoluto. Cuando se alcanza un cero absoluto, todo movimiento de partículas se detiene efectivamente.