domingo, 30 de enero de 2011

Temperatura y Dilatación Térmica

En las entradas anteriores hemos hablado de la Temperatura, sin embargo no hemos explicado este concepto a fondo. ¿Que es la Temperatura y cual es su relación con esa pequeña linea de mercurio en los termómetros?

Por ahora, contentémonos con decir que la temperatura está en relación directa con el intercambio de calor, y que cuando dos sistemas tienen el mismo calor, ambos tienen la misma temperatura, siendo así una medida del calor. Sin embargo, esta definición no es muy precisa, necesitamos ver más allá del objeto para comprender de que se trata la temperatura y su relación con la raya de mercurio.

A nivel de moléculas y átomos, la temperatura se puede definir cómo un promedio de la energía cinética que tienen estos, es decir, de su movimiento y velocidad. En los solidos, la temperatura se manifiesta principalmente cómo ondas, ya que las partículas están firmemente unidas entre si, en los líquidos y gases se manifiesta en colisiones entre partículas.

De esta definición podemos entonces comprender que relación hay entre la temperatura y la raya de mercurio en los termómetros tradicionales. Cuando la temperatura aumenta, el volumen que ocupa un objeto aumenta también, debido a que sus moléculas o átomos tienen mayor movilidad y energía, pero no todos los objetos absorben calor de la misma manera, y no todos se dilatan en la misma proporción. Usualmente, los metales se dilatan más y con mayor facilidad que los no-metales o que los compuestos orgánicos, y de entre los metales, uno de los mejores es el mercurio, ya que al estar liquido a temperatura y presión normales, permite encerrarlo en un tubo capilar que restrinja su movimiento sin romperse.

Ahora bien, la medición de la temperatura no es sencilla. Existen diversas escalas, de las cuales la Celsius es la más común, la Fahrenheit es la segunda más común, y la Kelvin es la menos usada, principalmente por los científicos. Las primeras dos escalas sin embargo son muy poco rigurosas en sus medidas, pues son ajustadas en su punto cero por el punto de congelación del agua, que varía dependiendo de la pureza y presión atmosférica. La escala Celsius y la Kelvin coinciden en el "tamaño" entre sus divisiónes, es decir, son 1:1, mientras que la Fahrenheit es 5/9 la Celsius, con un ajuste de -32º para alcanzar el cero.

Mientras que las escalas Celsius y Fahrenheit se basan en el punto de congelación del agua, la escala Kelvin se basa en un concepto un tanto más abstracto conocido cómo el Cero Absoluto. Esta temperatura NO puede ser alcanzada por medios físicos debido a la tercer ley de la termodinámica, que establece que en todo proceso que involucre trabajo se genera calor. El Cero Absoluto está a -273.15 ºC y se obtiene del calculo del mínimo estado de energía que la materia puede adquirir. El ser humano no puede alcanzar a la fecha temperaturas menores a 1.8 K con alguna substancia debido a que, a esta temperatura, el Helio liquido adquiere propiedades muy especiales que lo hacen muy difícil de manejar e incluso, de ser posible el seguir manejándolo, la tercer ley de la termodinámica evitaría que por medios físicos se alcanzara el Cero Absoluto, enfriando nucleos de átomos con el uso de lasers, se han alcanzado temperaturas muy cercanas al cero absoluto, sin embargo hasta ahora no es posible alcanzar esta temperatura.

Bastaría decir que la temperatura mínima de la Tierra: "Ocurrió en la estación Vostok un 31 de Julio de 1983 cuando los instrumentos de medición llegaron a marcar unos 89.6 grados bajo cero. El desgarrador frío fue tal que la tripulación de la estación irónicamente debió de encerrarse en los grandes refrigeradores industriales del complejo, ya que las paredes metálicas y aislante térmicos de estos aminoraban el frío externo. Al salir uno de los investigadores encontró con asombro que varios bidones de fluido anticongelante estaban solidificados. ".



Una pregunta interesante es ¿Existe una temperatura negativa en la escala Kelvin? La respuesta es si, existe. Sin embargo y contrario a lo que la intuición nos dice, esta temperatura es por mucho más alta que cualquiera conocida por el ser humano. ¿Cómo es esto posible? Pues, apartándonos aún más de la noción de temperatura clásica, nos encontramos una que tiene que ver con la entropía, y que a grandes rasgos es la medida del desorden que tiene un sistema.

"Los científicos ya han producido sistemas de temperatura negativa, utilizando los espines de los núcleos atómicos. Imagínese una hilera de átomos, cada uno con un espin que puede apuntar hacia arriba o hacia abajo. En el estado de menor energía posible, todos los espines apuntan hacia abajo. Añada energía al sistema y los espines comenzarán a voltearse hacia arriba, llegando a la máxima entropía o desorden, cuando la mitad de los espines están hacia arriba. La adición de más energía hará cambiar el sistema hacia temperatura negativa, cuyos estados de alta energía son la única manera de dar cabida a la energía extra." de  axxon.com entonces, si existen temperaturas negativas, solo que estas son en realidad mucho más calientes que las que conocemos, pues pasan energía a sistemas que aparentemente están más calientes que ellos.

1 comentario:

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