¿Qué es el cero absoluto en termodinámica?

La temperatura del medio es y ha sido a lo largo de la historia un elemento muy determinante para la supervivencia de los diferentes seres vivos, y algo que ha marcado el devenir de la evolución y en el caso del ser humano la manera de entender el mundo que nos rodea.

De hecho, gran parte de la vida conocida sólo puede vivir dentro de unos límites térmicos, e incluso el movimiento y la energía de las partículas se ve alterado a nivel molecular. Incluso se ha estipulado la existencia de temperaturas extremas que pueden llegar a hacer que el movimiento de las partículas subatómicas cese por completo, al quedar en total ausencia de energía. Se trata del caso del cero absoluto, un concepto desarrollado por Kelvin y cuya investigación tiene gran relevancia científica.

Pero... ¿qué es el cero absoluto exactamente? A lo largo de este artículo vamos a comprobarlo.

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Cero absoluto: ¿a que se refiere este concepto?

Llamamos cero absoluto a la unidad de temperatura más baja que se considera posible, los -273,15ºC, una situación en la cual las propias partículas subatómicas se encontrarían sin ningún tipo de energía y no serían capaces de realizar ningún tipo de movimiento.

Ello se produce debido al hecho de que el hecho de disminuir la temperatura de un objeto implica restarle energía, con lo que el cero absoluto implicaría la total ausencia de esto.

Se trata de una temperatura que no se encuentra en la naturaleza y que se supone por el momento hipotética (de hecho, según el principio de inasequibilidad de Nernst alcanzar esta temperatura es imposible), si bien la experimentación científica ha conseguido alcanzar temperaturas muy semejantes.

Sin embargo, la descripción anterior se vincula con una percepción de este concepto desde la visión de las mecánica clásica. Investigaciones posteriores que dejarían de lado la mecánica clásica para entrar en la cuántica proponen que en realidad en esta temperatura sí seguiría existiendo una mínima cantidad de energía que mantendría las partículas en movimiento, la llamada energía de punto cero.

Si bien ante las primeras visiones clásicas en este hipotético estado la materia debería presentarse en estado sólido al no existir movimiento o bien desaparecer al equivaler la masa a la energía y esta última estar totalmente ausente, la mecánica cuántica propone que al existir energía sí podrían existir otros estados de la materia.

Las investigaciones de Kelvin

El nombre y concepto de cero absoluto proviene de la investigación y teoría de William Thomson, mejor conocido como Lord Kelvin, el cual partió para la elaboración de este concepto de la observación del comportamiento de los gases y cómo estos varían su volumen de manera proporcional ante el descenso de la temperatura.

En base a ello este investigador empezó a calcular a qué temperatura el volumen de un gas sería cero, llegando a la conclusión de que se correspondería con la anteriormente mencionada.

El autor creó en base a las leyes de la termodinámica su propia escala de temperatura, la escala Kelvin, situando el punto de origen en esta temperatura más baja posible, el cero absoluto. Así, una temperatura de 0ºK se corresponde con el cero absoluto, -273,15ºC. parte de la creación por parte de dicho autor de una escala de temperatura generada a partir de las leyes de la termodinámica de la época (en 1836).

¿Existe algo más allá?

Teniendo en cuenta que el cero absoluto es una temperatura en la cual no habría movimiento de partículas o únicamente existiría una energía residual de cero absoluto, cabe preguntarse si podría existir algo más allá de esta temperatura.

A pesar de que la lógica nos pueda hacer pensar que no, investigaciones llevadas a cabo por diferentes investigadores en el Instituto Max Planck parecen indicar que de hecho sí podría existir una temperatura aún inferior, y que se correspondería con temperaturas negativas en escala Kelvin (es decir por debajo del cero absoluto). Se trata de un fenómeno que sólo podría darse a nivel cuántico.

Ello ocurriría en el caso de algunos gases, que mediante el uso de láseres y en experimentación se consiguió que pasaran de estar algo por encima del cero absoluto a temperaturas negativas bajo cero. Estas temperaturas lograrían que el gas en cuestión, preparado de tal manera que debería contraerse a gran velocidad, se mantenga estabilizado. En este sentido se asemeja a la energía oscura, que según algunos expertos impide que el universo se colapse sobre sí mismo.

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¿Para qué puede servir?

Conocer la existencia del cero absoluto tiene repercusiones no solo a nivel teórico sino también incluso a nivel práctico. Y es que cuando se exponen a temperaturas cercanas al cero absoluto, muchos materiales cambian en gran medida sus propiedades.

Un ejemplo de ello lo encontramos en el hecho de que en estas temperaturas las partículas subatómicas se condensan en un único gran átomo llamado condensado Bose-Einstein. Asimismo, algunas propiedades especialmente interesantes por su aplicación práctica las encontramos en la superfluidez o la superconductividad que pueden alcanzar determinados elementos en estas condiciones térmicas.

Referencias bibliográficas:

• Braun, S. et al. (2013). Atoms at negative absolute temperature- the hottest systems in the world. Science, 4. Max Planck Society.
• Merali, Z. (2013). "Quantum gas goes below absolute zero". Nature. doi:10.1038/nature.2013.12146.