El comportamiento de los gases sugirió la noción de que el comportamiento de los gases a bajas presiones sugirió una temperatura más baja: se observó que los gases parecen contratar indefinidamente a medida que disminuye la temperatura. Parecía que un «gas ideal» a presión constante alcanzaría el volumen cero en lo que ahora se llama cero absoluto de temperatura. Cualquier gas real en realidad se condensa a un líquido o un sólido a una temperatura más alta que el cero absoluto. Por lo tanto, la ley de gas ideal es solo una aproximación al comportamiento real del gas. Como tal, sin embargo, es extremadamente útil.
El concepto de cero absoluto como temperatura limitante tiene muchas consecuencias termodinámicas. Por ejemplo, todo el movimiento molecular no cesan en cero absoluto (las moléculas vibran con lo que se llama energía de punto cero), pero no hay energía del movimiento molecular (es decir, energía térmica) está disponible para la transferencia a otros sistemas y, por lo tanto, es Correcto decir que la energía en absoluto cero es mínima.
Cualquier escala de temperatura que tenga cero absoluto para su punto cero se denomina una escala de temperatura absoluta o una escala termodinámica. En el sistema internacional de unidades, la escala Kelvin (K) es el estándar para todas las mediciones de temperatura científica. Su unidad fundamental, la Kelvin, es idéntica en tamaño al grado de Celsius y se define como 1/273.16 del «punto triple» de agua pura (0.01 ° C [32.02 ° F]) – es decir, la temperatura a la que el líquido a la que el líquido , las formas sólidas y gaseosas de la sustancia se pueden mantener simultáneamente. El intervalo entre este punto triple y cero absoluto comprende 273.16 Kelvins. La temperatura más baja lograda en los experimentos ha sido 50 picokelvin (PK; 1 PK = 10-12 K).
¿Que se entiende como 0 absoluto?
La ciencia está llena de ceros. La luz tiene cero masa. Los neutrones tienen carga cero. Un punto matemático tiene longitud cero. Esos ceros pueden ser desconocidos, pero siguen una lógica consistente. Todos representan la ausencia de cierta calidad: masa, carga eléctrica, distancia.
Tendemos a pensar en las cosas calientes y frías como relativas. Una taza de té de una hora, por ejemplo, es más fría que el fuego de su estufa pero más caliente que un cubo de hielo. Absolute Zero representa la temperatura más fría posible, lo que desafía el patrón de este versus-that.
La clave para decodificar el cero absoluto es comprender qué es la temperatura. Es simplemente una medida de cuán rápido se están moviendo los átomos o moléculas dentro de una sustancia o, para ser más precisa, la energía cinética promedio de esas partículas.
Piense en ello como un juego de dodgeball atómico. Cuando la pelota te golpea, sientes su energía. Los billones y billones de esos éxitos de Dodgeball, que ocurren en una escala invisiblemente pequeña, son lo que percibimos como temperatura.
Los átomos de movimiento rápido golpean con fuerza, lo que sentimos como una temperatura alta. Cuando un objeto caliente toca un objeto frío, los átomos más rápidos y más cálidos imparten parte de su velocidad a los más lentos y más fríos. El objeto caliente se enfría. El objeto frío se calienta.
Ahora el cero en el cero absoluto tiene sentido: el cero absoluto es la temperatura a la que las partículas en una sustancia son esencialmente inmóviles. No hay forma de retrasarlos aún más, por lo que no puede haber temperatura más baja.
¿Todo deja de moverse en Absolute Zero? No exactamente. Los átomos no están completamente quieto; Se tambalean como resultado de los efectos relacionados con la física cuántica. Y, por supuesto, la actividad dentro de cada átomo continúa sin importar cuán frío se ponga. Los electrones siguen moviendo, al igual que los protones y los neutrones.
¿Que se entiende por el cero absoluto?
La temperatura tiende a ser relativa: el aire está por debajo de la congelación, su fiebre está por encima de lo normal. Pero los científicos investigan los extremos extremos del espectro de lo que se llama temperatura absoluta: en el límite superior, el calor absoluto es un horno teórico donde las leyes de la física se derriten. Por otro lado, el cero absoluto, frío tan frío que no hay a dónde ir, pero es casi dentro del alcance de los científicos.
Para entenderlo, primero necesita algo de física 101. Los átomos que componen la materia siempre se mueven. La temperatura mide la energía cinética de esos átomos, o energía del movimiento. Cuanto más rápido se muevan, mayor es su temperatura. Sin embargo, Absolute Zero es una quietud casi perfecta.
Nada en el universo, o en un laboratorio, ha alcanzado el cero absoluto hasta donde sabemos. Incluso el espacio tiene una temperatura de fondo de 2.7 kelvins. Pero ahora tenemos un número preciso para ello: -459.67 Fahrenheit, o -273.15 grados Celsius, los cuales son igual a 0 Kelvin.
Diferentes materiales varían en el frío que pueden ponerse, y la teoría sugiere que nunca llegaremos a cero absoluto. Pero con un arsenal de nuevas herramientas y técnicas, los científicos se acercan cada vez más a alcanzar ese fondo de roca.
Condensado de Bose-Einstein (BEC): En 1995, los físicos de la Universidad de Colorado Boulder observaron BEC, un quinto estado de materia que solo existe dentro de una astilla de cero absoluto. A una temperatura tan baja, los átomos individuales se superponen tanto que colapsan en un solo estado cuántico donde actúan colectivamente como una sola entidad. El descubrimiento de BEC abrió un nuevo campo de ciencia en el que los físicos pueden investigar los comportamientos cuánticos.
¿Cómo se consigue el cero absoluto?
Lo que es normal para la mayoría de las personas en invierno hasta ahora ha sido imposible en física: una temperatura menos. En la escala Celsius, menos las temperaturas son sorprendentes en verano. En la escala de temperatura absoluta, que es utilizada por los físicos y también se llama escala Kelvin, no es posible ir por debajo de cero, al menos no en el sentido de ponerse más frío que cero Kelvin. Según el significado físico de la temperatura, la temperatura de un gas está determinada por el movimiento caótico de sus partículas: cuanto más frío es el gas, más lento son las partículas. A cero Kelvin (menos 273 grados Celsius), las partículas dejan de moverse y todo el desorden desaparece. Por lo tanto, nada puede ser más frío que el cero absoluto en la escala Kelvin. Los físicos de la Universidad de Ludwig-Maximilians Munich y el Instituto Max Planck de óptica cuántica en Garching ahora han creado un gas atómico en el laboratorio que, sin embargo, tiene valores negativos de Kelvin. Estas temperaturas absolutas negativas tienen varias consecuencias aparentemente absurdas: aunque los átomos en el gas se atraen entre sí y dan lugar a una presión negativa, el gas no colapsa, un comportamiento que también se postula para la energía oscura en la cosmología. Los motores de calor supuestamente imposibles, como un motor de combustión con una eficiencia termodinámica de más del 100%, también se pueden realizar con la ayuda de temperaturas absolutas negativas.
Temperaturas menos calientes: a una temperatura absoluta negativa, la distribución de energía de las partículas invertida en comparación con una temperatura positiva. Muchas partículas tienen una alta energía y pocas una baja. Esto corresponde a una temperatura que es más caliente que una infinitamente alta, donde las partículas se distribuyen por igual en todas las energías. Una temperatura negativa de Kelvin solo se puede lograr experimentalmente si la energía tiene un límite superior, al igual que las partículas que no se mueven forman un límite inferior para la energía cinética a temperaturas positivas: los físicos en el LMU y el Instituto Max Planck de óptica cuántica ahora han logrado este.
Para que hierva el agua, se debe agregar energía. A medida que el agua se calienta, las moléculas de agua aumentan su energía cinética con el tiempo y se mueven más y más rápido en promedio. Sin embargo, las moléculas individuales poseen diferentes energías cinéticas, desde muy lentas hasta muy rápidas. Los estados de baja energía tienen más probabilidades que los estados de alta energía, es decir, solo unas pocas partículas se mueven muy rápido. En física, esta distribución se llama distribución de Boltzmann. Los físicos que trabajan con Ulrich Schneider e Immanuel Bloch ahora se han dado cuenta de un gas en el que esta distribución está precisamente invertida: muchas partículas poseen altas energías y solo unas pocas tienen bajas energías. Esta inversión de la distribución de energía significa que las partículas han asumido una temperatura absoluta negativa.
“La distribución invertida de Boltzmann es el sello distintivo de la temperatura absoluta negativa; Y esto es lo que hemos logrado ”, dice Ulrich Schneider. «Sin embargo, el gas no es más frío que cero Kelvin, sino más caliente», como explica el físico: «Incluso es más caliente que a cualquier temperatura positiva, la escala de temperatura simplemente no termina en el infinito, sino que salta a valores negativos».
¿Cómo surge el concepto de cero absoluto?
Se considera comúnmente la temperatura más baja posible, pero no es el estado de entalpía más bajo posible, porque todas las sustancias reales comienzan a apartarse del gas ideal cuando se enfrían a medida que se acercan al cambio de estado al líquido, y luego a Solid; y la suma de la entalpía de la vaporización (gas a líquido) y la entalpía de fusión (líquido a sólido) excede el cambio ideal del gas en la entalpía a cero absoluto. En la descripción mecánica cuántica, la materia (sólida) en cero absoluto está en su estado fundamental, el punto de menor energía interna.
Las leyes de la termodinámica indican que el cero absoluto no se puede alcanzar usando solo medios termodinámicos, porque la temperatura de la sustancia que se enfría se acerca a la temperatura del agente de enfriamiento asintóticamente, [5] y un sistema en cero absoluto aún posee energía mecánica cuántica de punto cero cuántico , la energía de su estado fundamental en absoluto cero. La energía cinética del estado fundamental no se puede eliminar.
La implicación es que la entropía de un cristal perfecto se acerca a un valor constante. Un adiabat es un estado con entropía constante, típicamente representada en un gráfico como una curva de una manera similar a las isotermas e isobars.
El Postulado Nernst identifica la isoterma t = 0 como coincidente con el adiabat s = 0, aunque otras isotermas y adiabats son distintos. Como no se cruzan dos adiabats, ningún otro adiabat puede intersectar la isoterma t = 0. En consecuencia, ningún proceso adiabático iniciado a temperatura distinta de cero puede conducir a una temperatura cero. (≈ Callen, pp. 189-190)
¿Por qué se le llama cero absoluto?
Las temperaturas como Absolute Zero son las mismas en todos los cuadros de referencia. Es cierto que el movimiento general de un objeto depende de en qué marco de referencia se encuentre (un libro en un tren estará inmóvil en el marco del tren, pero acelera en el marco del suelo). Y es cierto que la temperatura implica movimiento. Pero el movimiento asociado con la temperatura de un objeto es un tipo diferente de movimiento del tipo que se ve afectado por una opción de marco de referencia.
El «movimiento del objeto» describe el movimiento de todo el objeto en relación con un cierto marco de referencia. En última instancia, cada objeto está hecho de átomos que se mueven (oscilan) al azar, por lo que el movimiento general de un objeto es realmente un promedio sobre el movimiento direccional de todos sus átomos. Cuando se toma este promedio, todo el movimiento aleatorio de los átomos cancela, dejando solo el movimiento hacia adelante general de todo el objeto (si el objeto está en el proceso de destrozar a los bits, la imagen se vuelve más complicado). En contraste con el movimiento del objeto, el «movimiento térmico» describe el movimiento de los átomos en el objeto entre sí, y no en relación con el marco de referencia. Como resultado, el movimiento térmico es independiente del marco de referencia. El movimiento térmico es el mecanismo de conducción detrás de la temperatura, por lo que la temperatura también es independiente del marco. Si bien la velocidad de una pelota de béisbol será diferente dependiendo de si lo mide desde el suelo o desde un tren que pasa, la temperatura del béisbol será la misma en todos los cuadros. Puede pensar en el movimiento térmico como movimiento atómico perfectamente desordenado y el movimiento del objeto como un movimiento atómico perfectamente ordenado. Hay un tercer tipo de movimiento que puede tener un objeto, que está en algún lugar entre el orden de movimiento del objeto y aleatoriedad del movimiento térmico. Este tercer tipo de movimiento se ordena vibraciones. Por ejemplo, una campana de metal en un tren tiene movimiento térmico (su temperatura), movimiento vibratorio ordenado (su sonar) y el movimiento del objeto (su movimiento por la pista). La palabra «ordenada» es importante porque las vibraciones completamente aleatorias son solo parte del movimiento térmico.
Debido a que la temperatura de un objeto es solo un promedio sobre la energía del movimiento (energía cinética) de sus átomos entre sí, hay una temperatura absoluta mínima más allá del cual un objeto ya no se puede enfriar. Este punto, donde todos los átomos se han detenido por completo entre sí, se conoce como «cero absoluto» y corresponde al número cero en la escala de temperatura de Kelvin. Un objeto no se puede enfriar por debajo de este punto porque no queda un movimiento térmico atómico para detenerse. Si tomas un baloncesto y lo enfrías hasta el cero absoluto, y luego lo arrojas, el baloncesto seguirá en absoluto cero (tendrías que tirarlo cuidadosamente para no darle calor en el momento de lanzar, y también obtener deshacerse del aire circundante que lo calentaría debido a la resistencia al aire). Todos los átomos en el baloncesto se moverán al unísono lejos de usted, por lo que habrá movimiento de objetos distinto de cero. Pero todos los átomos no se moverán entre sí, por lo que todavía habrá un movimiento térmico cero y, por lo tanto, temperatura cero. Absolute Zero es «absoluto» tanto en el sentido de que ningún objeto puede hacerse más frío como en el sentido de que es lo mismo en todos los cuadros.
¿Cuándo se descubrió el cero absoluto?
Las escalas de temperatura que estamos más acostumbradas a usar en nuestra vida diaria son centígradas (℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ eléctrica eléctrica). En Celsius, la escala inventada por el astrónomo sueco Anders Celsius, el punto de fusión del agua es de 0 grados (0 ℃) y el punto de ebullición del agua es de 100 grados (100 ℃). Esta escala es la más familiar para los japoneses.
El tema de este artículo es cero absoluto, o cero grados de temperatura termodinámica (Unidad: K, Kelvin). Está escrito como 0 K. Ya en el siglo XVII, el físico francés Guillaume Amontons señaló la existencia de cero absoluto. Dado que la temperatura se define por el movimiento térmico de una sustancia, hay un límite inferior. Es el estado en el que el movimiento térmico (el movimiento de átomos y moléculas) es bajo y la energía se vuelve mínima. Este límite inferior de la temperatura en tales condiciones es absoluto cero. En otras palabras, el cero absoluto es la temperatura más baja posible en la Tierra.
Ilustración del termómetro de gas Amontons en el que se basa el termómetro de gas de volumen constante
¿Qué es el cero absoluto en Celsius? Los Amontones mencionados anteriormente estimaron que la temperatura era -240 ℃ en su investigación sobre termómetros, lo que asumió que la presión del gas se convierte en cero a cierta temperatura cuando se enfría. Sin embargo, no se estableció ningún estándar para describir los niveles de temperatura en las cifras en ese momento. Más tarde, en el siglo XVIII, Jacques Charles y Joseph Louis Gay -Lussac avanzaron más esta idea y estimaron que el cero absoluto era -273 ℃. Ahora, basado en numerosos estudios de investigación, se define como -273.15 ℃. El desafío de determinar los dos últimos dígitos de cero absoluto atrajo a varios grupos de investigadores en todo el mundo en la primera mitad del siglo XX. Es un hecho poco conocido que los investigadores del Instituto de Tecnología de Tokio (Tokio Tech) fueron los que resolvieron con éxito la disputa sobre estos dos dígitos.
¿Qué pasa cuando se llega al cero absoluto?
Lo que es normal para la mayoría de las personas en invierno hasta ahora ha sido imposible en física: una temperatura menos. En la escala Celsius, menos las temperaturas son sorprendentes en verano. En la escala de temperatura absoluta, que es utilizada por los físicos y también se llama escala Kelvin, no es posible ir por debajo de cero, al menos no en el sentido de ponerse más frío que cero Kelvin.
Según el significado físico de la temperatura, la temperatura de un gas está determinada por el movimiento caótico de sus partículas: cuanto más frío es el gas, más lento son las partículas. A cero Kelvin (menos 273 grados Celsius), las partículas dejan de moverse y todo el desorden desaparece. Por lo tanto, nada puede ser más frío que el cero absoluto en la escala Kelvin. Los físicos de la Universidad de Ludwig-Maximilians Munich y el Instituto Max Planck de óptica cuántica en Garching ahora han creado un gas atómico en el laboratorio que, sin embargo, tiene valores negativos de Kelvin. Estas temperaturas absolutas negativas tienen varias consecuencias aparentemente absurdas: aunque los átomos en el gas se atraen entre sí y dan lugar a una presión negativa, el gas no colapsa, un comportamiento que también se postula para la energía oscura en la cosmología. Los motores de calor supuestamente imposibles, como un motor de combustión con una eficiencia termodinámica de más del 100%, también se pueden realizar con la ayuda de temperaturas absolutas negativas.
¿Dónde se consigue el cero absoluto?
Debajo de un desorden enredado de tuberías, tubos, medidores, placas de metal, bombas y cinta adhesiva se encuentra un lugar más frío que el espacio exterior. Trabajando en este entorno del caos organizado, el equipo de materia cuántica en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge está comenzando a revelar las propiedades cuánticas exóticas de los materiales supercoldes en un refrigerador del tamaño de un SUV.
Debido a que los humanos pueden percibir fácilmente la diferencia entre el calor y el frío, la temperatura es una característica de la ciencia de la que las personas tienen una comprensión bastante intuitiva. Pero lo que las personas realmente experimentan cuando distinguen el calor del frío es la cantidad de energía térmica que contiene un sistema: un cono de helado, por ejemplo, contiene menos energía térmica que un tazón de sopa caliente. Y debido a que esta energía proviene del movimiento de átomos y moléculas dentro de una sustancia, eso significa que las moléculas de sopa se mueven más que las del helado.
Sin embargo, el equipo de la Universidad de Cambridge monitorea la energía en un nivel más extremo a medida que intentan abordar el cero absoluto, la temperatura más fría permitida por las leyes de la termodinámica. El cero absoluto, técnicamente conocido como cero kelvins, es igual a −273.15 grados centígrados, o -459.67 fahrenheit, y marca el lugar en el termómetro donde un sistema alcanza su energía más baja posible o movimiento térmico.
Sin embargo, hay una trampa: Absolute Zero es imposible de alcanzar. La razón tiene que ver con la cantidad de trabajo necesario para eliminar el calor de una sustancia, lo que aumenta sustancialmente cuanto más frío intente ir. Para alcanzar cero kelvins, necesitaría una cantidad infinita de trabajo. E incluso si pudieras llegar allí, la mecánica cuántica dicta que los átomos y las moléculas aún tendrían algún movimiento irreducible.
¿Dónde encontramos el cero absoluto?
¿Dónde está el lugar más frío del universo? No en la luna, donde la temperatura se sumerge a un mero menos 378 Fahrenheit. Ni siquiera en el espacio exterior más profundo, que tiene una temperatura de fondo estimada de aproximadamente menos 455 ° F. Por lo que los científicos pueden ver, las temperaturas más bajas jamás alcanzadas se observaron recientemente aquí en la Tierra.
Los mínimos récord estuvieron entre las últimas hazañas de la física de Ultracold, el estudio de laboratorio de la materia a temperaturas tan alucinantes que los átomos e incluso la luz se comportan de manera muy inusual. La resistencia eléctrica en algunos elementos desaparece por debajo de menos 440 ° F, un fenómeno llamado superconductividad. A temperaturas aún más bajas, algunos gases licuados se convierten en «superfluidos» capaces de rezirse a través de las paredes lo suficientemente sólidas como para sostener cualquier otro tipo de líquido; Incluso parecen desafiar la gravedad a medida que se arrastran hacia arriba y fuera de sus contenedores.
Los físicos reconocen que nunca pueden alcanzar la temperatura concebible más fría, conocida como Absolute Zero y hace mucho tiempo calculada como menos 459.67 ° F. Para los físicos, la temperatura es una medida de cuán rápidos se mueven los átomos, un reflejo de su energía, y el cero absoluto es el punto en el que no queda ninguna energía térmica que se extraiga de una sustancia.
Pero algunos físicos tienen la intención de acercarse lo más posible a ese límite teórico, y fue tener una mejor visión de la mayoría de las competiciones enrarecidas que visité el Laboratorio de Wolfgang Ketterle en el Instituto de Tecnología de Massachusetts en Cambridge. Actualmente tiene el récord, al menos según Guinness World Records 2008, para la temperatura más baja: 810 billonésimas de grado F por encima del cero absoluto. Ketterle y sus colegas lograron esa hazaña en 2003 mientras trabajaban con una nube, aproximadamente una milésima de pulgada de ancho, de moléculas de sodio atrapadas en su lugar por imanes.
Le pido a Ketterle que me muestre el lugar donde habían establecido el récord. Nos ponemos gafas para protegernos de ser cegados por la luz infrarroja de los haces láser que se utilizan para disminuir la velocidad y, por lo tanto, enfriar partículas atómicas de movimiento rápido. Cruzamos el pasillo desde su oficina soleada hacia una habitación oscura con un revoltijo de cables interconectados, pequeños espejos, tubos de vacío, fuentes láser y equipos informáticos de alta potencia. «Justo aquí», dice, su voz se eleva de emoción mientras señala una caja negra que tiene un tubo envuelto en aluminio que conduce a ella. «Aquí es donde hicimos la temperatura más fría».
¿Cómo se obtuvo el cero absoluto?
Investigadores de cuatro universidades en Alemania han condicionado un laboratorio para registrar la temperatura efectiva más fría en un entorno controlado por la investigación jamás registrado: 38 billonésimas de un Kelvin por encima del cero absoluto. Según un estudio de 2022 publicado en la revista Physical Review Letters, la temperatura persistió durante dos segundos en el Centro de Tecnología de Espacio Aplicado y Microgravedad (ZARM) de la Universidad de Bremen, y las condiciones que hicieron esto posibles podrían tener ramificaciones de larga data para la mecánica cuántica.
Absolute Zero es 0 Kelvin, igual a –273.15 grados Celsius, o –459.67 grados Fahrenheit. Este es el punto en el que las partículas son esencialmente inmóviles, y es la temperatura más baja posible que podríamos alcanzar teóricamente, según las leyes de la termodinámica.
Algunos investigadores buscan cero absoluto para su uso en instrumentos de precisión que pueden probar las leyes fundamentales de la física, mientras que otros lo hacen para modelar algo llamado Cold Big Bang, cuando toda la materia explotó y el universo comenzó a operar bajo las leyes observables de la materia y la energía . En este último sentido, mirar un sistema en absoluto cero, uno casi completamente sin energía cinética, estaría cerca de observar el comienzo de la física.
Cuando las condiciones se acercan a cero absoluto, las partículas comienzan a comportarse de manera anormal e impredecible, afectando las propiedades de los elementos y los compuestos. El nitrógeno se congela en un sólido inestable a 63.15 Kelvin, o –210 grados Celsius, y el helio líquido se convierte en un «superfluido» sin fricción a alrededor de 2 Kelvin. A temperaturas suficientemente frías, algunas partículas incluso adquieren características especiales de Wavelike, formando un estado de materia llamado «condensado de Bose-Einstein» en el que una masa de partículas individuales ingresa al mismo estado cuántico para convertirse en una sola nube de átomos de fluido.
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