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El misterio de la temperatura: ¿qué es el cero absoluto? ¿Lo sabías?
La temperatura es una cantidad física que expresa cuantitativamente qué tan caliente o frío está un objeto. Normalmente utilizamos termómetros para medir, y la escala del termómetro depende de diferentes estándares de temperatura. Estos estándares contienen varios puntos de referencia y materiales para la medición del calor. Las escalas de temperatura más utilizadas son Celsius (°C), Fahrenheit (°F) y Kelvin (K). Entre ellos, el Kelvin se utiliza principalmente en la investigación científica y se considera una de las siete unidades base del Sistema Internacional de Unidades. El cero absoluto en esta escala, cero Kelvin o −273,15 °C, es el punto más bajo en la escala de temperatura termodinámica. Experimentalmente, aunque no se puede alcanzar el cero absoluto, podemos acercarnos mucho a él.
La importancia de la temperaturaEn el cero absoluto ya no hay energía térmica macroscópica en la materia, pero todavía existe energía de punto cero mecánica cuántica.
La temperatura tiene una amplia gama de efectos que involucran las propiedades físicas de la materia, como el cambio de fase (sólido, líquido, gas o plasma), la densidad, la solubilidad, la conductividad, etc. Además, la temperatura afecta directamente la velocidad y la extensión de las reacciones químicas e incluso tiene un efecto profundo en el comportamiento de todos los organismos vivos. Por ejemplo, la velocidad del sonido en un gas es proporcional a la raíz cuadrada de la temperatura absoluta.
Evolución de las escalas de temperatura
Una escala de temperatura requiere que se definan dos valores: el punto cero elegido y el tamaño del incremento de temperatura. La escala Celsius (°C) es la escala de medición de temperatura más utilizada en todo el mundo, con su punto cero determinado por los puntos de congelación y ebullición del agua; mientras que la escala Fahrenheit es ampliamente utilizada en Estados Unidos, con un punto de congelación de 32 ° F y un punto de ebullición de 212 °F. El punto cero de la escala Kelvin es el cero absoluto.
Definición de cero absoluto
El cero absoluto es un concepto clave en física, que marca el estado de la materia cuando se elimina por completo la energía térmica. En este estado, las partículas de materia cesarán su movimiento macroscópico y, según la tercera ley de la termodinámica, la energía termodinámica neta es cero. Las personas no pueden enfriar objetos a esta temperatura y sólo pueden explorar sus límites lo más de cerca posible.Desde un punto de vista experimental, el cero absoluto sólo se puede alcanzar, pero no se puede alcanzar. La temperatura experimental más baja hasta la fecha es de 38 pK.
Patrones de temperatura absoluta y relativa
Entre los estándares de temperatura, la escala Kelvin se considera una escala absoluta porque no depende de ninguna sustancia o instrumento específico para medir el calor. Desde 2019, la definición de Kelvin se basa en fenómenos microscópicos y está relacionada con la constante de Boltzmann, que permite mediciones más precisas de la temperatura.
Relación entre la mecánica estadística y la termodinámica
La actual escala Kelvin ya no está claramente definida como estándar de referencia, sino que se basa en la determinación de la constante de Boltzmann exacta. Históricamente, la definición de Kelvin se basó en las propiedades termodinámicas de la máquina de Carnot, en lugar de depender de una descripción microscópica del movimiento. Esto nos permite crear un estándar más universal para describir la temperatura.
Métodos de medición clásicos y modernos
Históricamente, la temperatura se ha medido utilizando estándares empíricos como el punto triple del agua (definido como 273,16 K), pero cada vez más se basa en estadísticas y en una comprensión de la dinámica microscópica. Esto demuestra que la temperatura no es sólo una medida macroscópica, sino también el resultado del comportamiento microscópico y cuántico.Desarrollo futuro
Con más investigaciones en termodinámica y física estadística, los científicos podrán buscar mediciones más precisas. Por ejemplo, utilizar el volumen molar de un gas o el espectro de la radiación del cuerpo negro para medir la temperatura son direcciones de investigación futuras prometedoras.
A través de nuestra comprensión del comportamiento cuántico, podremos tener una comprensión más profunda y una medición más precisa del cero absoluto en el futuro.
Mientras exploramos estos fascinantes fenómenos científicos, no podemos evitar preguntarnos: ¿Hay leyes naturales y misterios del universo ocultos en este límite de temperatura inalcanzable que aún no hemos comprendido?
