Cero absoluto
El cero absoluto es la temperatura más baja que puede existir. Corresponde al límite inferior de la escala de temperatura termodinámica , es decir, el estado en el que la entalpía y la entropía de un gas ideal alcanza su valor mínimo, anotado 0. Esta temperatura teórica se determina extrapolando la ley de los gases ideales : según acuerdo internacional , el valor del cero absoluto se fija en -273.15 ° C ( Celsius ) o -459.67 ° F ( Fahrenheit ). Por definición, las escalas de Kelvin y Rankinetome el cero absoluto como valor 0. Tenga en cuenta que la escala Kelvin no puede entrar en números negativos.
En física cuántica , la materia en el cero absoluto está en su estado fundamental , un punto de mínima energía interna .
Las leyes de la termodinámica implican que no se puede alcanzar el cero absoluto utilizando únicamente medios termodinámicos: la temperatura de la sustancia enfriada se acerca asintóticamente al refrigerante. Un sistema que está en el cero absoluto tiene en mecánica cuántica la energía del punto cero , es decir, la energía de su estado fundamental en el cero absoluto. La energía cinética del estado fundamental no se puede eliminar.
Los científicos han logrado alcanzar temperaturas cercanas al cero absoluto, donde la materia exhibe efectos cuánticos como superconductividad o superfluidez .
Historia
En 1702 , el estado de cero absoluto fue propuesto por primera vez por Guillaume Amontons , un físico y académico francés, que estaba trabajando en la relación entre temperatura y presión en los gases, aunque no tenía a su disposición ningún termómetro preciso. Si bien sus resultados son cualitativos, establece que la presión de una determinada cantidad de gas confinado en un determinado volumen aumenta en aproximadamente un tercio cuando pasa de una temperatura "fría" a la del agua hirviendo, lo que le lleva a suponer que un una reducción suficiente de la temperatura resultaría en una ausencia de presión.
Aunque el cero absoluto se puede definir de esta manera, la mayoría de los gases se licúan antes de llegar a 0 K (ver termómetro de gas ).
En 1824, Sadi Carnot publicó su obra principal: Reflexiones sobre la fuerza motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar esta fuerza . En una nota a pie de página, que fue pasada por alto por los primeros comentaristas, sugiere que la eficiencia de una máquina térmica ideal podría servir como base para una escala de temperatura absoluta .
En 1848 , William Thomson , Lord Kelvin, propuso una escala de temperatura absoluta en la que una reducción de la temperatura medida corresponde a una reducción equivalente del calor del cuerpo en estudio. Este concepto, liberándose de las limitaciones de la ley de los gases, establece un cero absoluto como la temperatura a la que no se puede extraer más calor del cuerpo.
Descripción
El cero absoluto se define como la temperatura más pequeña posible, que además solo se puede alcanzar de forma asintótica. Es teórico e inaccesible. A 0 K , una sustancia ya no contiene a escala macroscópica la energía térmica (o calor ) necesaria para ocupar varios niveles de energía microscópica. Las partículas que lo componen ( átomos , moléculas ) están todas en el mismo estado de mínima energía (estado fundamental). Esto da como resultado una entropía cero debido a la indistinguibilidad de estas partículas en este mismo nivel de energía fundamental y por la inmovilidad total en el sentido clásico.
Sin embargo, de acuerdo con las teorías de la física cuántica , las partículas tienen siempre un no-cero impulso de acuerdo con el principio de incertidumbre ( Heisenberg ). De hecho, al tender hacia el cero absoluto, las moléculas de un cuerpo tendrían su momento cada vez más definido (cercano a cero), sus posiciones tenderían a tener una indeterminación intrínseca residual. Pero como también tienden a detenerse, sus posiciones también tienden a estar definidas con precisión. Tienden a un estado de mínima energía, acercándose al cero absoluto, respetando así el principio de indeterminación cuántica; hablamos de energía residual en el cero absoluto .
Los físicos han descubierto que ciertas sustancias desarrollan propiedades originales cuando se acercan a este límite. Ciertos fluidos, los isótopos estables del helio , pierden toda viscosidad: esto es superfluidez . Y algunos metales o aleaciones pierden su resistencia eléctrica (esto es superconductividad ) o, por el contrario, tienen una resistencia eléctrica muy alta (este es un estado supraaislante ).
Técnicas
En la práctica, hoy 0,21 K se alcanzó comúnmente por evaporación de helio, pero otro método - llamado " adiabático desmagnetización de paramagnéticas sustancias " - permite que se obtengan temperaturas aún más bajas, hasta 1. × 10 -6 K . Finalmente, el gas atómico de Higgs de enfriar a Bose-Einstein condensado puede alcanzar temperaturas del orden de 1 x 10 -9 K . Es esta técnica de enfriamiento por láser fue utilizado por los investigadores del MIT a un registro de 450 p K .
Temperaturas muy bajas
La temperatura promedio del Universo es actualmente de 2,73 Kelvin, según las mediciones del fondo difuso cósmico .
No se puede alcanzar el cero absoluto, aunque se puede abordar con un enfriador criogénico, un refrigerador de dilución o un criostato de desmagnetización nuclear. El enfriamiento láser de los átomos ha hecho posible alcanzar temperaturas por debajo de la mil millonésima parte de un Kelvin. A temperaturas muy bajas, alrededor del cero absoluto, la materia exhibe muchas propiedades inusuales como superconductividad , superfluidez y condensación de Bose-Einstein . Para estudiar estas propiedades, los científicos intentaron alcanzar temperaturas aún más bajas.
En 1999, se alcanzó 100 pK ( 10-10 K ) enfriando los espines nucleares de una pieza de rodio .
En junio 2015, los físicos del Instituto de Tecnología de Massachusetts han logrado enfriar las moléculas de un gas de sodio y potasio a una temperatura de 500 nK ( 5 × 10 −7 K ), y esperan descubrir un estado exótico de la materia descendiendo a un nivel más bajo. temperatura.
Temperatura absoluta negativa
En algunos experimentos de física cuántica, los operadores calculan temperaturas termodinámicas negativas. Estos valores negativos muy bajos (del orden de unos pocos picokelvins a unos pocos nanokelvins) aparecen en la medida de ciertos sistemas cuánticos muy particulares cuya entropía, después de haber alcanzado un máximo, disminuye a medida que se les añade más energía. Por lo tanto, las muestras para las que se miden temperaturas absolutas negativas no deben considerarse “más frías” que el cero absoluto, ya que proporcionarían calor a cualquier otro sistema que entre en contacto con ellas. Temperaturas negativas tampoco significan que la temperatura haya pasado en algún punto por el cero absoluto, “quedando este último imposible de alcanzar”.
En enero 2013, los físicos anunciaron, en la revista científica Nature , la primera obtención de un gas de átomos de potasio con una temperatura absoluta, definida termodinámicamente en los grados de libertad de movimiento, negativa. La técnica consiste en atrapar átomos en una configuración que sería inestable a temperatura absoluta positiva y, con la trampa estable, al sistema se le asigna una temperatura absoluta negativa. Queda por definir el significado y la importancia de este trabajo.
Notas y referencias
(fr) Este artículo está tomado parcial o totalmente del artículo de Wikipedia en inglés titulado " Cero absoluto " ( consulte la lista de autores ) .- “Absolu” , en el Diccionario de la Academia Francesa , sobre el Centro Nacional de Recursos Textuales y Léxicos (es decir, I –5, consultado el 22 de mayo de 2016).
- Definiciones lexicográficas y etimológicas de “absolu” (significando I, C, 2) de la Tesorería Computarizada del Idioma Francés , en el sitio web del Centro Nacional de Recursos Textuales y Léxicos (consultado el 22 de mayo de 2016).
- (en) BIPM (Oficina internacional de pesos y medidas)
- " ¿Qué es el cero absoluto y cómo puedo llegar a él? » , En futura-sciences.com (consultado el 16 de febrero de 2019 )
- Los inicios de la termodinámica - DSL Cardwell en Michel Biezunski, La Recherche en histoire des sciences , París, Éd. du Seuil , coll. "Puntos, Ciencias" ( n o 37),1983, 304 p. ( ISBN 978-2-02-006595-5 , OCLC 463555600 , aviso BnF n o FRBNF35538393 )
- (fr) http://www.techno-science.net/? = 5282
- (en) Norman F. Ramsey , Espectroscopia con radiación coherente: artículos seleccionados de Norman F. Ramsey con comentario , Singapur; River Edge, Nueva Jersey, World Scientific , coll. “Serie científica mundial sobre física del siglo XX, v. 21 ",1998, 417 p. ( ISBN 978-981-02-3250-4 , OCLC 38753008 , leer en línea )
- (in) " Picokelvin de temperatura positiva y negativa "
- Roger Balian . Verdadero o falso, ¿puede una temperatura absoluta ser negativa? En Scientific American , marzo de 2013, n o 425, p. 19 .
- (in) Merali Zeeya, " El gas cuántico desciende por debajo del cero absoluto " , Naturaleza ,3 de enero de 2013
Ver también
Artículos relacionados
Bibliografía
- Cálculo de incertidumbres, 2013 . Descripción de un sencillo experimento realizado en un instituto que permitió medir el cero absoluto por extrapolación: durante una transformación a volumen constante de un gas supuestamente perfecto, se miden las variaciones de temperatura y presión.