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¿Qué es el cero absoluto en la ciencia?

¿Qué es el cero absoluto en la ciencia?

El cero absoluto se define como el punto donde no se puede eliminar más calor de un sistema, de acuerdo con la escala de temperatura absoluta o termodinámica. Esto corresponde a 0 Kelvin o -273.15 ° C. Esto es 0 en la escala de Rankine y -459.67 ° F.

La teoría cinética clásica postula que el cero absoluto no representa movimiento de moléculas individuales. Sin embargo, la evidencia experimental muestra que este no es el caso.

En cambio, la evidencia experimental indica que las partículas en el cero absoluto tienen un movimiento vibratorio mínimo. En otras palabras, si bien el calor no puede eliminarse de un sistema en cero absoluto, no representa el estado de entalpía más bajo posible.

En mecánica cuántica, el cero absoluto representa la energía interna más baja de la materia sólida en su estado fundamental.

Cero absoluto y temperatura

La temperatura se usa para describir qué tan caliente o frío es un objeto. La temperatura de un objeto depende de la velocidad a la que oscilan sus átomos y moléculas. Aunque el cero absoluto representa oscilaciones a la velocidad más lenta a la que funcionan, el movimiento nunca se detiene por completo.

Si es posible alcanzar el cero absoluto

No es posible, hasta ahora, alcanzar el cero absoluto; aunque los científicos lo han abordado. El Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) alcanzó una temperatura fría récord de 700 nK (milmillonésimas de Kelvin) en 1994. Los investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) establecieron un nuevo récord de 0,45 nK en 2003.

Temperaturas negativas

Los físicos han demostrado que es posible tener una temperatura negativa de Kelvin (o Rankine). Sin embargo, esto no significa que las partículas sean más frías que el cero absoluto; más bien, es una indicación de que la energía ha disminuido.

Esto se debe a que la temperatura es una cantidad termodinámica que relaciona energía y entropía. Cuando un sistema se acerca a su energía máxima, su energía comienza a disminuir. Esto solo ocurre en circunstancias especiales, como en los estados de cuasi-equilibrio donde el espín no está en equilibrio con un campo electromagnético, pero dicha actividad puede conducir a una temperatura negativa, a pesar de que se agrega energía.

Curiosamente, un sistema a una temperatura negativa puede considerarse más caliente que uno a una temperatura positiva. Esto se debe a que el calor se define de acuerdo con la dirección en la que fluye. Normalmente, en un mundo de temperatura positiva, el calor fluye de más cálido (como una estufa caliente) a más frío (como una habitación). El calor fluiría de un sistema negativo a un sistema positivo.

El 3 de enero de 2013, los científicos formaron un gas cuántico que consta de átomos de potasio que tenían una temperatura negativa, en términos de grados de libertad de movimiento. Antes de esto (2011), Wolfgang Ketterle y su equipo demostraron la posibilidad de una temperatura absoluta negativa en un sistema magnético.

Una nueva investigación sobre temperaturas negativas revela un comportamiento misterioso adicional. Por ejemplo, Achim Rosch, físico teórico de la Universidad de Colonia en Alemania, ha calculado que los átomos a una temperatura absoluta negativa en un campo gravitacional podrían moverse "hacia arriba" y no solo "hacia abajo". El gas bajo cero puede imitar la energía oscura, lo que obliga al universo a expandirse cada vez más rápido contra la fuerza gravitacional hacia adentro.

Fuentes

Merali, Zeeya. "El gas cuántico va por debajo del cero absoluto". Nature, 3 de enero de 2013.

Medley, P., Weld, D. M., Miyake, H., Pritchard, D. E. y Ketterle, W. "Enfriamiento por desmagnetización de gradiente de centrifugación de átomos ultrafríos"Phys. Rev. Lett. 106, 195301 (2011).