Se resuelve un problema de termodinámica que llevaba 120 años sin solución
FÍSICA.
Un nuevo estudio ha resuelto un problema surgido hace 120 años en el ámbito de la termodinámica y, con ello, ha corregido una idea expuesta hace más de un siglo por Albert Einstein.
Un descenso extremo de la temperatura, mucho más allá de la congelación del agua, desemboca en el cero absoluto, la temperatura más baja que permiten las leyes de la física. En la imagen, hielo de agua. Foto: Amazings / NCYT
El teorema de Nernst, presentado en 1905, surgió cuando se estudiaron las propiedades generales de la materia en temperaturas próximas al cero absoluto (273 grados centígrados bajo cero). Se trata de una observación experimental de carácter general que establece que los intercambios de entropía tienden a cero cuando la temperatura tiende a cero. Walther Nernst obtuvo el premio Nobel de Química en el año 1920 por estos estudios.
Como explicación de sus resultados, Nernst sostuvo que el cero absoluto tenía que ser inaccesible porque, de lo contrario, sería posible construir una máquina que, usando el cero absoluto como refrigerante, convirtiera todo el calor en trabajo, lo que iría en contra del principio de aumento de la entropía. Así dio por probado su teorema en 1912.
Inmediatamente después, Einstein refutó esta demostración señalando que esa máquina hipotética no se podría construir en la práctica y, por tanto, no podría cuestionar la validez del principio de aumento de la entropía. Así, Einstein desvinculó el teorema del segundo principio de la termodinámica y lo asoció a un tercer principio, independiente del segundo. Esta idea ha sido ahora rebatida por un estudio a cargo de José María Martín Olalla, profesor de de la Universidad de Sevilla en España.
Además de resolver el citado problema que llevaba 120 años sin solución, la nueva investigación aporta una ampliación de las consecuencias vinculadas con el segundo principio de la termodinámica (el principio que establece el aumento de la entropía del universo).
El trabajo defiende que el tercer principio de la termodinámica sería una consecuencia del segundo principio y no una idea independiente.
En la demostración presentada, el profesor Martín Olalla introduce dos matices que fueron omitidos por Nernst y Einstein: el formalismo del segundo principio de la termodinámica obliga, de una parte, a la existencia de la máquina que imaginó Nernst, y, de otra parte, impone que esa máquina sea virtual; la máquina no consume ningún calor, no produce ningún trabajo, y no cuestiona el segundo principio. La concatenación de ambas ideas permite concluir que los intercambios de entropía tienden a cero cuando la temperatura tiende a cero (que es teorema de Nernst) y que el cero absoluto es inaccesible.
Martín Olalla señala que “un problema fundamental en termodinámica es distinguir la sensación de temperatura, las sensaciones de caliente y frío, del concepto abstracto de temperatura como magnitud física. En la discusión entre Nernst y Einstein, la temperatura fue solo un parámetro empírico: la condición de cero absoluto se representaba por la condición de que la presión o el volumen de un gas se hacían cercanos a cero. Formalmente, el segundo principio de la termodinámica proporciona una idea más concreta de qué es el cero natural de la temperatura. La idea no está relacionada con ninguna sensación, sino con esa máquina que imaginó Nernst pero que tiene que ser virtual. Esto cambia radicalmente el abordaje de la demostración del teorema”.
En el estudio se señala que la única propiedad general de la materia cerca del cero absoluto que no puede relacionarse con el segundo principio de la termodinámica es la anulación de las capacidades caloríficas, también compilada por Nernst en 1912. Sin embargo, Martín Olalla propone una formalización distinta: “el segundo principio contiene la idea de que la entropía es única en el cero absoluto. La anulación de los calores específicos solo añade que ese valor único es cero. Parece más una apostilla, importante, que un nuevo principio”.
El estudio se titula “Proof of the Nernst theorem”. Y se ha publicado en la revista académica The European Physical Journal Plus. (Fuente: Universidad de Sevilla)
Sitio Fuente: NCYT de Amazings