Cerca del cero absoluto
En general, nos interesa poco el frío. Como prueba, imagine que acaba de levantarse y se prepara el café con leche del desayuno. El café está demasiado caliente y decide acelerar el proceso de enfriado: ¿Esperará 5 minutos antes de echar la leche fría o echará la leche fría y luego esperará 5 minutos? Y lo más importante: ¿qué razones tiene para escoger una u otra estrategia?
Aunque la intuición nos diga que hay que echar rápidamente la leche, la respuesta correcta es esperar primero. Si todas las mañanas realiza la prueba, acabará encontrando lo que Isaac Newton descubrió y que en su honor recibe el nombre de ley de enfriamiento de Newton: la velocidad con que se enfría un cuerpo es proporcional a la diferencia de temperatura entre éste y el medio que le rodea. Por eso, si echamos rápidamente la leche, habremos disminuido su temperatura, la diferencia con el aire será menor y se enfriará más despacio.
Frío, más frío
La Antártida es el lugar más frío de la Tierra, donde las temperaturas son entre 20 y 30 grados más bajas que en el Polo Norte. Allí, la base de investigación Vostok ha registrado la temperatura más baja de la Tierra: -89,2ºC el 21 de julio de 1983. Puede parecer mucho, pero no es nada comparado con las temperaturas que se alcanzan en otros planetas de nuestro Sistema Solar. El satélite de Júpiter Europa tiene una temperatura superficial de -170º C. Este satélite joviano presenta un aspecto completamente congelado y bajo su superficie, con un espesor entre 10 a 100 kilómetros de hielo, se extiende un inmenso mar de agua salada.
Pero para frío, frío, nuestro propio universo. Su temperatura media es de unos -270º C. Pero aunque pueda parecernos increíble, el espacio no es el lugar más frío que podamos encontrar. De hecho, si queremos darnos una vuelta por el sitio más frío de España basta dirigirnos a uno de los laboratorios del Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón (ICMA). Allí encontraremos un refrigerador de dilución que enfría hasta una temperatura de 12 milésimas de grado por encima del cero absoluto (-273,16 ºC).
El frío en la cocina
La búsqueda de procedimientos para la conservación de alimentos durante periodos más o menos prolongados ha sido una constante en la historia de la humanidad. La conservación natural de los alimentos se ve afectada por la actividad bacteriológica, favorecida por el calor. Sin embargo, las bacterias se reproducen muy lentamente a 0ºC. A temperaturas inferiores paralizan su acción destructora. Otros microorganismos detienen su actuación a -7ºC y las enzimas (que afectan al sabor y textura de los alimentos), a -18ºC. La misión de las técnicas frigoríficas es detener o ralentizar los procesos bacteriológicos y enzimáticos que destruyen los alimentos.
Un frigorífico congelador (cuatro estrellas) debe alcanzar una temperatura de -30ºC en su cámara frigorífica. Un frigorífico conservador (tres estrellas) alcanzará -18ºC. No es apto para congelación, aunque sí para conservación de alimentos congelados. Al congelar el alimento se hiela el agua constituyente de sus células. Si la aplicación de frío es lenta (conservador) los cristales de hielo son grandes y de aristas vivas. Rasgan las paredes de la célula y al descongelar se vierte el líquido celular, que contiene buena parte del valor nutritivo del alimento. Por el contrario, si es rápida (congelador), los cristales son menores y redondeados, manteniendo los alimentos sus cualidades nutritivas y su sabor.
La escala absoluta
Si escuchamos a un físico de bajas temperaturas descubriremos que suele hablar de otra escala que nos es la centígrada. Si prestamos atención le escucharemos hablar de Kelvin. ¿Qué quiere de 3 Kelvin o 3 K? La relación es bien sencilla: 0º C son 273 K. O al revés, 0 K son -273 ºC (más concretamente, -273,16 ºC)? ¿Qué tiene de especial ese valor de -273,16º C? ¿No puede haber nada más frío? La respuesta es no. La temperatura es, simplemente, una medida de la agitación de los átomos y las moléculas. Cuantos más se muevan, más temperatura mediremos. En el cero absoluto todo movimiento se detiene y, por tanto, no se puede bajar más.
Este resultado lo generaliza la llamada Tercera Ley de la Termodinámica: el cero absoluto no se puede alcanzar en un número finito de pasos. Esto ha llevado a algún físico a expresar las tres leyes de la Termodinámica de un modo ciertamente irónico:
Cerca del cero absoluto
¿Cómo alcanzar temperaturas cada vez bajas?. Evidentemente, no estamos hablando de meter un trozo de carne en un congelador. ¿Cómo alcanzamos temperaturas realmente bajas, de -270º C por ejemplo? Para cada rango de temperaturas existen diferentes técnicas. Por debajo de -100º C utilizamos los líquidos criogénicos. Se usan básicamente dos, el nitrógeno líquido hasta -200º C y el helio líquido, con el que podemos bajar hasta -269º C (4,2 K en la escala absoluta). La manera más obvia de enfriar el material es sumergirlo directamente en el líquido. Si queremos ir más abajo debemos usar técnicas más complejas. Con un refrigerador que utiliza una mezcla de dos isótopos de helio ( He3 y He4 ) podemos llegar a 0,01 K, pero para acercarnos más al cero absoluto debemos usar técnicas como desimanación electrónica, con la que llegamos a 0,003 K, y desimanación nuclear, hasta 50 K
Las sorprendentes propiedades de la materia fría
El estudio de la materia cuando se encuentra a bajísimas temperaturas ha proporcionado resultados sorprendentes. Por ejemplo, la superconductividad. El físico holandés Heike Kamerlingh Onnes consiguió licuar helio en 1908. Un gran logro teniendo en cuenta que el helio hierve a -269º C (el helio es quien posee la temperatura de ebullición más pequeña y a presión atmosférica nunca se congela). Onnes usó el helio líquido para enfriar otras sustancias, como el mercurio, que solidifica a -38,89º C. Al medir su resistencia eléctrica encontró, como se esperaba, que cuanto menor era la temperatura del mercurio, menor era su resistencia. Pero al llegar a -269º C descubrió que su resistencia eléctrica se hacía cero: Kamerlingh Onnes acababa de descubrir la superconductividad. Desde entonces se han ido descubriendo diferentes materiales que por debajo de cierta temperatura crítica no ofrecen ninguna resistencia al paso de la electricidad: los superconductores.
Superfluidez
A Kamerlingh Onnes se le pasó una de las propiedades más sorprendentes del helio líquido. En 1938 el ruso Peter Kapitsa y los canadienses John Allen y Austin Misener encontraron que por debajo de -271º C el helio líquido se convertía en un excelente conductor del calor, 200 veces mejor que el cobre. Y no sólo eso, sino que presentaba una viscosidad inferior a una diezmilésima de la que tiene el hidrógeno gaseoso: es el fenómeno de la superfluidez.
Todos los líquidos presentan oposición al fluir: es la viscosidad, producto del rozamiento entre las moléculas del sólido y las de la superficie sobre las que resbalan. Algunos, como el champú o la miel, son muy viscosos. Otros, como el agua, no lo son tanto. Lo mismo le ocurre al helio líquido. Ahora bien, por debajo por debajo de -271º C su viscosidad prácticamente desaparece, convirtiéndose en superfluido. Esto hace que podamos ver cómo el helio literalmente sube por las paredes del vaso que lo contiene y se derrama en el exterior. Este hecho tiene unas aplicaciones tecnológicas importantes, como es la localización de microagujeros en conductos y tuberías: el helio superfluido se puede colar tranquilamente por agujeros de un tamaño inferior a 2 diezmilésimas de milímetro.
Al límite
En este sorprendente mundo de los fenómenos a muy bajas temperaturas, un grupo del Joint Institute for Laboratory Astrophysics (JILA), en Boulder, Colorado, culminaba en 1995 un esfuerzo de dos décadas por parte de los científicos de todo el mundo por comprobar experimentalmente una predicción hecha hace casi 80 años por Albert Einstein y el hindú Satyendra Nath Bose. A temperaturas normales, los átomos de un gas se distribuyen por todo el volumen del recipiente que los contiene. Pero a temperaturas extremadamente bajas, del orden de unas pocas mil millonésimas de grado por encima del cero absoluto, los átomos se comportan como si fueran un único superátomo: es el condensado de Bose-Einstein, un nuevo estado de la materia. El grupo de JILA consiguió enfriar 2.000 átomos de rubidio por debajo de cien mil millonésimas de grados absolutos durante 10 segundos, creando el primer condensado de Bose-Einstein de la historia. Recibieron el premio Nobel por ello.
¿Por qué es importante enfriar?
A temperatura ambiente la energía térmica que tienen los átomos de un material enmascara un gran número de fenómenos interesantes que podríamos observar si los átomos tuvieran menos energía. Imaginémonos una habitación llena de gente con mucha prisa, corriendo de un lado para otro, chocando constantemente y sin poderse parar a hablar los unos con los otros. Tal y como se van enfriando los ánimos la gente empiezan a andar mas despacio hablando entre ellos, intercambiando cosas, se forman grupos, hacen planes para hacer cosas juntos. Algo parecido le ocurre a la materia. Cuando se enfría, interacciones entre los átomos que estaban enmascaradas por la agitación térmica dan lugar a una fenomenología muy interesante que no es observable a temperatura ambiente. Por eso es tan importante poder estudiar los materiales a muy bajas temperaturas.
Para saber más:
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