Zero absolutu

Zero absolutua egon daitekeen tenperaturarik txikiena da. Tenperatura honetan sistemaren barne-energia maila egon daitekeen txikiena da, eta partikulek, mekanika klasikoaren arabera, ez dute higidurarik.^[1] Horregatik ulertzen da tenperaturarik txikiena dela, partikulen higidura negatiborik ezin baita existitu. (Tenperatura, partikulen higidura-kantitatea besterik ez da, hauen higidura eta tenperatura zuzenki proportzionalak direlarik).

Mekanika kuantikoaren arabera, ordea, zero absolutuak hondarreko energia bat izan beharko luke, zero puntuko energia deitua, Heisenbergen ziurgabetasunaren printzipioa bete dadin.

Zero absolutua, beraz, tenperatura neurtzeko bi eskalen 0 puntua da, Kelvin eta Rankine^[2] eskalen 0 puntua, hain zuzen ere (0 K eta 0 °R). Tenperatura honen baliokideak Celsius eta Fahrenheit eskaletan -273,15 °C eta -459,67 °F^[3] dira, hurrenez hurren.

Termodinamikaren hirugarren legearen arabera, zero absolutua inoiz lor ezin daitekeen puntua da. Izan ere, gaurdaino hozkailu batean lortu den tenperaturarik txikiena -273,144 °C da, (0,006 K, hain zuzen ere) hozkailuak dituen molekulek ez baitute puntu horren azpitik joateko behar adinako energiarik.

Zero absolutuan kristal perfektu baten entropia zero da, orobat. Kristala osatzen duten atomoek, akatsik gabeko kristala eratzen badute, honen entropiak, zero baino gehiago izan behar du, eta, beraz, tenperatura, beti izango da zero absolutua baino gehiago. Hau da, kristalak beti izango ditu bere atomoen mugimenduak eragindako inperfekzio txikiak; hori konpentsatzeko mugimendu bat beharko litzateke eta, beraz, beti agertuko dira hondar inperfekzioak.

Garrantzitsua da azaltzea 0 K-eko tenperaturan, substantzia guztiak solidotuko liratekeela, helioa izan ezik, eta, gaur egungo bero-ereduaren arabera, molekulek, mugitzeko edo bibratzeko ahalmen oro galduko luketela.

Orain arte, zero absolututik gertueneko tenperatura, MITeko zientzialariek lortu zuten laborategian 2015ean.^[4] Gas bat eremu magnetiko batean hoztu zuten, zero absolututik nanokelvin erdiko tenperatura (5•10⁻¹⁰ K) lortuz.

Zero absolututik gertu eman egiten diren fenomenoak

Zero absolutura hurbiltzean zenbait fenomeno gerta daitezke material batzuetan, Bose-Einsteinen kondentsatua adibidez, edo superfluido egoera baten sorrera, helio II.a bezala.

1924an, Albert Einstein fisikari alemaniarrak eta Satyendra Nath Bose fisikari indiarrak, euren omenez Bose-Einsteinen kondentsatua deritzon fenomeno baten existentzia iragarri zuten. Egoera horretan, bosoiak, energia-egoera kuantiko berean elkartzen dira. Fenomeno hau 1995ean baieztatu zen, eta ordutik, bere propietateetako asko ikertu dira.

Zero absolututik gertuko tenperaturetan, superfluido egoerak era daitezke, edo baita, tenperatura altuagoetan existitzen ez diren molekula hauskorrak ere, beste fenomeno batzuen artean.

Gaur egun, aplikazio praktiko bat aurkitu zaio fenomeno honi, CERNeko LHC partikula azeleragailuan.^[5] Hadroi Talkagailu Handiak (LHC) 1,9 K-eko tenperatura lortzen du,^[6] partikula azeleratzaile honetan burutzen diren esperimentuek zirkuitu batzuen kriogenizazioa nahitaezkoa baitute, material supereroankortasunak lortzeko premiarekin. Hori lortzeko helio konpresoreak nitrogeno likidoarekin elikatzen dira, sistemara 80 K-eko tenperaturan sartzen dena, eta non bere tenperatura gero eta txikiagoa den 3 konpresoreetatik pasa ahala.^[6]

Historia

Tenperatura minimo absolutu baten ideiaren inguruan aukera desberdinak eztabaidatu zituen lehenengo zientzialaria Robert Boyle izan zen. 1665ean idatzi zuen bere New Experiments and Observations touching Cold (Hotzaren inguruko esperimentu eta behaketa berriak) testuan, primum frigidum^[7] izeneko kontzeptuari buruz eztabaidatzen du. Kontzeptu hau oso ezaguna zen garaiko naturalisten artean, non batzuek defendatzen zuten tenperatura minimo absolutu hori Lurraren barruan sortzen zela, beste batzuek uraren barruan edo airean, eta garaiko aurreratu batzuek nitroan sortzen zela. Hala ere, guztiak ados omen zeuden adierazpen honetan:

"Gorputz bat edo beste dago, berez oso hotza dena, eta bere parte hartzea dela eta, beste gorputz guztiek kalitate hori lortzen dutena".^[8]

“Hotz-maila” muga

Hotz-maila muga baten existentzia eta, hala izatekotan, zero puntua non kokatu behar ote litekeen inguruko kontua, Guillaume Amontons fisikari frantsesak jorratu zuen lehenengo aldiz 1702. urtean, berak asmatutako aire-termometroaren inguruko hobekuntzei esker. Zientzialariak erabilitako termometroan, tenperatura desberdinak merkurio zutabe bati esker neurtzen ziren, non uraren irakite puntua +73 puntuan zegoen, eta izotzaren fusio puntua 51 puntuan. Eskala hori jarraituz, Amontonsek zero absolutu puntua -240 °C zela antzeman zuen.

77 urte geroago, 1779. urtean, balio hori dexente hobetu zuen Johann Heinrich Lambert-ek, eta zero absolutu deitu zion -270 °C-ko tenperaturari.^[9]

Hala ere, zero absolutua markatzen zuten balio hauek ez zeuden orokorki onartuak garai hartan. Pierre-Simon Laplace eta Antoine Lavoisier zientzialariek, beren 1780ko beroaren inguruko itunean, uraren izozte puntutik beherako 1500 eta 3000 arteko balioak onartu zituzten, pentsatuz gainera zero absolutua 600 puntu beherago egon litekeela. Gainera, John Dalton-ek, bere Chemical Philosophy testuan 10 kalkulu desberdin eman zituen, non onartu zuen zero absolutu puntua -3000 °C inguru egon behar zela.

Lord Kelvin-en lana

James Prescott Joule-k beroaren baliokide mekanikoa zehaztu ondoren, Lord Kelvinek gaia ikuspuntu erabat desberdin batetik jorratu zuen, eta 1848an tenperaturaren eskala absolutua landu zuen, substantzia partikularren propietateetatik independentea zena, eta termodinamikaren oinarrizko legeetan oinarritzen zena soilik. Eskala horren printzipioak oinarritzat hartuta, zero absolutu puntua -273,15 °C-tan kokatu zen, aire termometroaren zero puntutik oso gertu, ikus daitekeen moduan.^[10]

Erreferentziak

↑ (Gaztelaniaz) Rapin, P. J.. (1990). Prontuario del frío. Reverte ISBN 978-84-7146-062-2. (Noiz kontsultatua: 2019-11-23).
↑ (Gaztelaniaz) Reichenbach, María Cecilia von; Bergero, Paula Elena; Álvarez, Ariel; Río, Laura Sombra del; Reichenbach, María Cecilia von. (2009-03-01). Cero absoluto. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) ISBN 978-950-692-088-3. (Noiz kontsultatua: 2019-11-23).
↑ (Gaztelaniaz) Wilson, Jerry D.; Buffa, Anthony J.. (2002). Fisica. Pearson Educación ISBN 978-970-26-0425-9. (Noiz kontsultatua: 2019-11-23).
↑ «MIT team creates ultracold molecules» MIT News (Noiz kontsultatua: 2019-11-23).
↑ «The Latest from the LHC: The LHC is cold!» CERN Document Server (Noiz kontsultatua: 2019-11-23).
↑ ^a ^b «LHC: A cool 1.8 K is achieved for the first time» CERN Bulletin 2005 (Noiz kontsultatua: 2019-11-23).
↑ (Ingelesez) Fennell, Charles Augustus Maude. (1892). The Stanford Dictionary of Anglicised Words and Phrases. University Press (Noiz kontsultatua: 2019-11-23).
↑ "There is some body or other that is of its own nature supremely cold and by participation of which all other bodies obtain that quality." Boyle, Robert (1665). New Experiments and Observations touching Cold.
↑ Lambert, Johann Heinrich (1779). Pyrometrie. Berlin.
↑ «Cold - LoveToKnow 1911» web.archive.org 2007-12-12 (Noiz kontsultatua: 2019-11-23).