Temperatura del cero absoluto y hechos

¿Qué es el cero absoluto?

Una pregunta fundamental en los campos de la química física y la física es: ¿qué es el cero absoluto? Básicamente, el cero absoluto es la temperatura más baja posible en nuestro universo. Es el punto cero de la escala de temperatura Kelvin, -273,15 grados en la escala Celsius y -459,67 en la escala Fahrenheit. La temperatura se puede definir como una medida cuantitativa de qué tan caliente o fría está una sustancia. Los átomos y las moléculas de los materiales más calientes tienen más energía cinética (una medida del movimiento térmico) que los de los materiales más fríos. A una temperatura de cero Kelvin (cero absoluto), los átomos de una sustancia tienen una energía cinética mínima (es decir, casi cesa todo movimiento térmico de los átomos y moléculas dentro del material).

La escala de temperatura Kelvines la unidad de referencia SI (Sistema Internacional de Unidades) para la medición de temperatura. Las unidades de la escala Kelvin se conocen como Kelvin (abreviado como «K»). Esta escala fue ideada por el ingeniero y físico escocés Sir William Thomson, Barón Kelvin de Largs (Lord Kelvin) a mediados del siglo XIX. Lord Kelvin también es conocido por sus importantes contribuciones al campo de la termodinámica y el análisis matemático de la electricidad y el magnetismo. En 1848, Lord Kelvin propuso su escala de temperatura absoluta. En esta escala, el punto de congelación del agua es 273,15 kelvin y el punto de ebullición del agua pura es 373,15 kelvin. Los incrementos de unidad (kelvin) son los mismos que las unidades individuales en la escala Celsius, lo que permite una conversación simple entre las dos escalas (como se explica a continuación).

La investigación centrada en medir y cuantificar la temperatura comenzó a principios del siglo XVII. El astrónomo y físico italiano Galileo Galilei fue pionero en este trabajo con la invención del termoscopio, un dispositivo que indica los cambios de temperatura. El termoscopio original consistía en un tubo de vidrio con un extremo abierto unido a una bombilla de vidrio hueca llena de aire. Los cambios de temperatura ambiente se observaron colocando el extremo abierto del dispositivo en un depósito de agua. El tubo se llena parcialmente de agua debido a la presión atmosférica ejercida sobre la superficie del agua en el depósito. La altura del agua en el tubo varía según la temperatura del aire en el bulbo de vidrio. A temperaturas más altas, el aire en el bulbo se expande y empuja la columna de agua en el tubo a niveles más bajos. Las temperaturas más frías dan como resultado una columna de agua más alta en el tubo. Este dispositivo era útil para observar los cambios de temperatura relativos, pero no podía usarse para cuantificar la temperatura del aire porque no tenía escala ni puntos de referencia. Por lo tanto, el termoscopio no se considera un termómetro porque no es un dispositivo capaz de medir cuantitativamente la temperatura.

El termoscopio de Galileo se desarrolló aún más durante varios años para incluir una escala numérica, lo que lo convirtió en el primer termómetro ampliamente utilizado para mediciones cuantitativas de temperatura. Sin embargo, a principios y mediados de 1600, no hubo acuerdo sobre una escala de temperatura estándar. Cada científico utilizó su propia escala y puntos de referencia. Esto hizo que fuera casi imposible para los científicos comparar las mediciones de temperatura tomadas en diferentes lugares y en diferentes laboratorios.

El termómetro de aire basado en el diseño del termoscopio tenía la desventaja de ser sensible a la presión del aire (es decir, las lecturas no solo dependían de la temperatura sino que también se veían afectadas por la presión barométrica). Este problema se resolvió en la década de 1630 cuando el rabino y médico italiano Yashar Mi-Qandia (estudiante de Galileo) invirtió el diseño del termoscopio y llenó el bulbo de vidrio con alcohol. En este diseño, el alcohol se expandiría o contraería según su temperatura, y el valor podría leerse en las graduaciones hechas en el tubo de vidrio. El diseño del termómetro se mejoró aún más a principios del siglo XVIII cuando el físico holandés Daniel Gabriel Fahrenheit llenó el bulbo de vidrio con mercurio, mejorando así la confiabilidad de la medición. Este diseño de termómetro todavía se usa en la actualidad.

Los desarrollos más modernos de la medición de temperatura se han centrado en mejorar la reproducibilidad de los puntos de referencia de medición. Por ejemplo, recientemente, el punto triple del agua ha sido elegido como referencia principal para la medición de la temperatura. El punto triple del agua es la presión y la temperatura a la que las fases sólida, líquida y gaseosa coexisten en equilibrio termodinámico. Debido a que el punto triple se conoce con precisión (0,01 grados Celsius), constituye un punto de referencia útil para la escala Kelvin. La temperatura del punto triple del agua está separada del cero absoluto por exactamente 273,16 grados centígrados.

Temperatura cero absoluta

La escala Kelvin (temperatura absoluta) se utiliza en las definiciones de muchas relaciones termodinámicas fundamentales. Por ejemplo, la ley de Charles establece que «el volumen de una cantidad fija de gas mantenida a presión constante es directamente proporcional a su temperatura absoluta».

{eq}Volumen = temperatura constante\ \times\ {/eq}

La ley de Charles muestra que, a una presión fija, cuando la temperatura de un gas disminuye, su volumen también disminuye. Esta relación se puede demostrar midiendo el volumen de un gas en un rango de temperaturas diferentes. Los datos definirán una línea recta en un gráfico de volumen frente a temperatura. Una característica notable de estos gráficos es que si la línea recta se extrapola hasta un valor de volumen cero, la temperatura correspondiente (la intersección en el eje de la temperatura) es -273,15 grados Celsius, que corresponde a 0 kelvin, la temperatura cero absoluta. Esta relación muestra que el cero absoluto es la temperatura más baja posible porque corresponde a un volumen de gas de cero, y es físicamente imposible tener un volumen menor que cero.

En realidad, los gases no pueden enfriarse a temperaturas cercanas al cero absoluto porque se condensarían para formar un líquido. Por ejemplo, a la presión atmosférica, los gases dióxido de carbono, metano, oxígeno y nitrógeno se condensan a -78, -161, -183 y -196 grados Celsius, respectivamente (todos muy por encima del cero absoluto). Sin embargo, para los cálculos termodinámicos, podemos considerar un gas ideal que no reacciona ni se condensa en ningún rango concebible de condiciones de presión y temperatura.

Ahora bien, si imaginamos un gas ideal encerrado en un cilindro de volumen constante, encontramos que al cambiar la temperatura del gas, su presión aumenta cuando se calienta y disminuye cuando se enfría. Esta relación se conoce como Ley de Gay-Lussac:

{eq}Presión = constante\ \times\ temperatura {/eq}

Al igual que con la ley de Charles, cuando la línea recta definida por una serie de datos de presión frente a temperatura se extrapola a una presión de cero, intercepta el eje de la temperatura exactamente a -273,15 grados Celsius (temperatura cero absoluta). Esta observación tiene sentido práctico porque, en el cero absoluto, el movimiento molecular térmico de las moléculas de gas casi cesa. Este movimiento molecular hace que los gases ejerzan presión; por lo tanto, minimizar la energía cinética de las moléculas de gas minimiza la presión del gas.

Estas relaciones termodinámicas nos permiten responder con rigor a la pregunta: ¿qué es la temperatura del cero absoluto? Estas relaciones muestran que si asumimos que tenemos un gas ideal (es decir, uno que no se condensará cuando se enfríe a temperaturas muy bajas) y lo enfriamos continuamente, su volumen finalmente llegará a cero (suponiendo una presión constante). En resumen, la temperatura del gas cuando su volumen llega a cero es de -273,15 grados centígrados, que es cero kelvin, la temperatura del cero absoluto. Es imposible enfriar el gas a una temperatura más baja porque es físicamente imposible tener volúmenes de gas negativos. Como se muestra arriba, este experimento mental también funciona para un escenario en el que enfriamos continuamente un gas ideal y monitoreamos su presión a volumen constante. La temperatura a la que la presión del gas llega a cero también es -273. 15 grados centígrados (cero kelvin). Al igual que con el ejemplo del volumen, sabemos que cero kelvin es la temperatura más baja posible (cero absoluto) porque los gases no pueden tener presiones negativas. Ambos escenarios se han verificado experimentalmente tomando medidas de volumen frente a temperatura y presión frente a temperatura para una variedad de gases diferentes y extrapolando los resultados a volumen cero y presión cero. Las líneas extrapoladas cruzan el eje de la temperatura en el cero absoluto en ambos casos. temperatura para un rango de diferentes gases y extrapolando los resultados a volumen cero y presión cero. Las líneas extrapoladas cruzan el eje de la temperatura en el cero absoluto en ambos casos. temperatura para un rango de diferentes gases y extrapolando los resultados a volumen cero y presión cero. Las líneas extrapoladas cruzan el eje de la temperatura en el cero absoluto en ambos casos.

¿Qué tan frío es el cero absoluto?

La temperatura del cero absoluto es difícil de imaginar. Entonces, ¿qué tan frío es el cero absoluto? Como aprendimos en la sección anterior, la temperatura del cero absoluto es cero kelvin. A modo de comparación, el lugar más frío de la Tierra es la meseta antártica oriental, con temperaturas tan bajas como 179 kelvin (-94 grados centígrados). La temperatura del hielo seco (dióxido de carbono congelado) es de 194 kelvin (-78,5 grados centígrados), y la temperatura ideal de un congelador doméstico es de 255 kelvin (-18 grados centígrados). El planeta más frío del sistema solar es Neptuno, con valores promedio de 73 kelvin (-200 grados centígrados) y el planeta enano Plutón tiene temperaturas tan bajas como 48 kelvin (-225 grados centígrados). El lugar más frío del universo conocido es la Nebulosa Boomerang, en la que vastas nubes de polvo interestelar tienen temperaturas tan bajas como -272 grados centígrados.

Cero absoluto en Celsius

A principios de 1700, el físico sueco Anders Celsius desarrolló una escala de temperatura absoluta que se usa en todo el mundo en la actualidad. La escala centígrada (luego rebautizada como Celsius en honor a su inventor) se dividía en 100 unidades entre el punto de congelación del agua pura (cero grados Celsius) y el punto de ebullición del agua pura (100 grados Celsius). Los incrementos de la escala Celsius son los mismos que los incrementos de las escalas de temperatura absoluta (es decir, un grado Celsius equivale a un kelvin). Para convertir una temperatura Celsius a Kelvin, simplemente se suma 273,15 a la lectura Celsius.

{eq}kelvin = 273,15\: +\: grados\: Celsius {/eq}

Por lo tanto, el cero absoluto en Celsius es -273,15 grados.

Cero absoluto en Fahrenheit

A principios de 1700, el físico holandés Daniel Gabriel Fahrenheit estableció puntos de referencia y una escala que permitía la comunicación y comparación de las mediciones de temperatura. Sus puntos de referencia incluían un punto bajo definido como la temperatura de una mezcla de hielo, agua y sal. Esto se definió como cero grados Fahrenheit. El punto de calibración más alto, 90 grados Fahrenheit, fue la temperatura interna de un ser humano saludable. Las revisiones posteriores de la escala cambiaron de modo que la temperatura interna del cuerpo se convirtió en 98,6 grados Fahrenheit.

Inicialmente, un incremento individual de la escala Fahrenheit (un grado) se definió como una centésima parte del aumento de volumen de un fluido estándar calentado desde la temperatura de una mezcla de sal, hielo y agua hasta la temperatura del cuerpo humano. La mezcla de sal, hielo y agua no permitía una temperatura reproducible, por lo que este material de referencia más bajo finalmente se reemplazó con agua helada sin sal. Este punto de referencia inferior se definió como 32 grados Fahrenheit. La conversión de grados Fahrenheit a la escala Celsius viene dada por:

{eq}Grados\:Celsius\ =\ \frac{5}{9}\:\times(grados\:Fahrenheit\:-\:32^{o}\:) {/eq}

El cero absoluto en Fahrenheit es por lo tanto -459,67 grados. En la siguiente figura se muestra una comparación de los puntos de referencia primarios en las tres escalas de temperatura principales.

Resumen de la lección

El cero absoluto es la temperatura más baja posible en nuestro universo. Es el punto cero de la escala de temperatura Kelvin, -273,15 grados en la escala Celsius y -459,67 en la escala Fahrenheit. La escala de temperatura Kelvin es la unidad de referencia SI (Sistema Internacional de Unidades) para medir la temperatura. La temperaturase puede definir como una medida cuantitativa de qué tan caliente o fría está una sustancia. Los átomos y las moléculas de los materiales más calientes tienen más energía cinética (una medida del movimiento térmico) que los de los materiales más fríos. No puede haber una temperatura inferior al cero absoluto porque, a cero kelvin, el movimiento térmico de las moléculas en una sustancia está en su valor mínimo posible. Sin embargo, es importante tener en cuenta que la energía cinética de las moléculas dentro de una sustancia en el cero absoluto no llega a cero. Siempre hay algo de energía cinética a escala atómica en la materia.

Para un gas ideal (es decir, uno que no se condensa a temperaturas muy bajas), el cero absoluto corresponde a un volumen de gas de cero (a presión fija) ya una presión de gas de cero (a volumen fijo). Es físicamente imposible tener volúmenes de gas o presiones por debajo de cero. Por lo tanto, el cero absoluto es la temperatura más baja posible. Esto se puede demostrar en un gráfico de la presión del gas frente a la temperatura del gas para varios tipos de gases. Supongamos que extrapolamos una regresión en línea recta hasta un valor de presión cero. En ese caso, inevitablemente encontramos que la línea cruza el eje de la temperatura a -273,15 grados Celsius (es decir, cero kelvin, cero absoluto). Nuevamente, esto indica que cero kelvin es la temperatura más baja posible porque es físicamente imposible tener presiones de gas inferiores a cero.

Galileo inició la historia moderna de la medición de la temperatura con su invención del termoscopio. Este dispositivo consistía en un tubo de vidrio unido a una bombilla de vidrio llena de aire. El tubo abierto se colocó en un recipiente con líquido (por ejemplo, agua o alcohol). La altura de la columna de líquido dentro del tubo es una medida de la temperatura del aire dentro del bulbo de vidrio. El termoscopio de Galileo no es técnicamente un termómetro porque su escala era arbitraria (es decir, carecía de unidades y puntos de referencia). Sin embargo, las mejoras posteriores en el diseño del termoscopio condujeron a los termómetros cuantitativos de líquido en vidrio que todavía se usan en la actualidad. Las mediciones de temperatura cuantitativas modernas fueron posibles gracias a la adopción de puntos de referencia de temperatura universales, como el punto de congelación del agua (cero grados Celsius, 32 grados Fahrenheit, 273. 15 kelvin) y el punto de ebullición del agua (100 grados Celsius, 212 grados Fahrenheit, 373,15 kelvin). La referencia práctica de temperatura de laboratorio utilizada hoy en día es el punto triple del agua. El punto triple del agua es una circunstancia única de temperatura y presión donde coexisten hielo, agua líquida y vapor de agua.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador