jueves, 21 de mayo de 2015

Un termómetro en el vacío

Un hecho común a cualquier variedad de materia es que está formada por partículas extremadamente pequeñas, que pueden ser moléculas, como en el caso del agua o del dióxido de carbono, átomos como en los gases nobles y en los metales, o iones como en el cloruro de sodio, la sal común. Otro hecho que comparten todos los sistemas materiales es que esas partículas se mueven. En el estado sólido las partículas permanecen en su posición vibrando, de ahí que los sólidos no fluyan. En el líquido, las partículas se deslizan unas entre otras. Finalmente las partículas de los gases están separadas ocupando todo el espacio disponible y se desplazan en línea recta chocando entre ellas y contra todo lo que está a su alcance, como las paredes del recipiente en el que se introduce el gas. Del estudio del comportamiento de los gases nació la teoría cinética de la materia.
Del hecho de que las partículas se mueven se deduce que tienen energía cinética, la energía asociada al movimiento: una partícula tiene más energía cinética cuanto mayor es su velocidad. Podemos variar la energía cinética promedio de las partículas de un cuerpo de una forma muy sencilla: mediante el calor, una de las maneras en que el universo intercambia energía de unos lugares a otros. Si proporcionamos calor a un sistema material sus partículas se moverán más deprisa; por el contrario, si extraemos calor de él, sus partículas se enlentecerán. Esto es válido siempre que no se esté produciendo un cambio de estado, situación en que el calor no modifica la energía cinética de las partículas, sino su energía potencial.
En definitiva, la manifestación macroscópica de la energía cinética que tienen las partículas no es otra cosa que la temperatura. La diferencia que hay entre un vaso de agua a 10 ºC y otro con agua a 20 ºC es que en el segundo las moléculas se mueven más deprisa.
¿Y si conseguimos frenar las partículas hasta que quedan inmóviles? Entonces alcanzaríamos la temperatura más baja posible, el cero absoluto, que en la escala Celsius corresponde aproximadamente a -273,15 ºC. Pero, cosas del universo, es imposible conseguirlo; el récord en acercarse a ese límite lo tienen unos científicos italianos que en 2014 llevaron a un metro cúbico de cobre a una temperatura de tan solo seis milésimas de grado (seis milikelvins, en unidades del Sistema Internacional) por encima del cero absoluto.
Por tanto, la temperatura es una propiedad de los sistemas materiales. En el vacío absoluto no hay materia, y por tanto no hay partículas. Preguntarnos sobre la temperatura del vacío es tan absurdo como preguntarnos sobre su dureza. En el espacio exterior no existe un vacío absoluto, pues el universo está repleto de partículas. Por ejemplo, en el espacio interestelar se calcula que hay “tan solo” un millón de partículas por metro cúbico, y es cinco veces mayor en el espacio exterior cercano a nuestro planeta, en pleno Sistema Solar. Imaginemos que en el espacio exterior del Sistema Solar hay un vacío absoluto; en ese caso, decía, no hay temperatura.
De acuerdo, no hay temperatura, así que... ¿qué indicaría un termómetro en el vacío? Lo primero que tenemos que tener presente es que cuando utilizamos un termómetro para medir la temperatura de, pongamos por caso, un vaso de agua, en realidad el termómetro nos indica su propia temperatura, no la del agua. O al menos, no directamente. Cuando la lectura del termómetro permanece constante es porque ha alcanzado el equilibrio térmico con el agua; ambos tienen la misma temperatura, por lo que deducimos que la temperatura del agua es la del termómetro. En el vacío del Sistema Solar un termómetro, que como todo sistema material está formado por partículas, marcará ¡su temperatura! Una temperatura que será mayor cuanto más cerca del Sol se sitúe, de acuerdo con la ley del cuadrado de la distancia.

1 comentario:

  1. Muy bueno. me recordo termodinamica de 5° en mis 16's, 1991. gracias por tan buen resumen.

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