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Científicos europeos descubren que la materia puede enfriarse cuanto más se calienta

Científicos europeos descubren que la materia puede enfriarse cuanto más se calienta

En determinadas condiciones la materia puede enfriarse a medida que se le aporta calor, lo que desvela una nueva paradoja de la física que han descubierto científicos franceses y austriacos. La paradoja reabre el debate sobre la frontera que separa al mundo microscópico del macroscópico y sobre la misma definición de temperatura, al mismo tiempo que afectará al desarrollo de la nanotecnología. Por Eduardo Martínez.

Científicos europeos descubren que la materia puede enfriarse cuanto más se calienta

Científicos franceses y austriacos han podido comprobar por vez primera la existencia de energía calorífica negativa en una quincena de moléculas de hidrógeno, que se enfriaron bruscamente en el momento de la transición del estado líquido al gaseoso a pesar de la aportación externa de calor.

Eso quiere decir que en determinadas circunstancias, la materia se enfría aunque se le aporte calor, lo que revela una nueva paradoja de la física. Hasta ahora se creía que esta capacidad calorífica negativa era exclusiva de algunas estrellas, cuya temperatura interior aumenta a medida que pierden calor por efecto de la radicación. De la misma forma, en determinados núcleos atómicos la temperatura descendería en el momento de la evaporación.

En el mundo ordinario, la experiencia indica que cuando calentamos agua su temperatura aumenta y que, cuando hierve, se evapora. Lo corriente en cualquier sistema macroscópico, en el que desenvolvemos la vida diaria, es que cuando añadimos calor el sistema se calienta y cambia de estado al alcanzar una temperatura determinada.

Cuando el calor se mantiene, el sistema conserva una temperatura constante hasta que el cambio de estado (evaporación o fusión) se completa. Este fenómeno se conoce como capacidad calorífica positiva. La capacidad calorífica de un sistema es la energía que se necesita para aumentar su temperatura un grado Kelvin.

Sorpresa calorífica

La sorpresa ha ocurrido cuando se descubre que la presunta capacidad calorífica negativa, que ocurre cuando un cuerpo se enfría a medida que se le aporta más calor, se da en los agregados de hidrógeno, que son pequeños grupos de unas quince moléculas. Esta es la aportación de los científicos del Instituto de Física Nuclear de Lyon y del Institut für of Ionenphysik de la Universidad de Innsbruck.

Su experiencia, según cuentan en la revista Physical Review Letters, consistió en estudiar las colisiones entre un grupo de moléculas de hidrógeno y un átomo de helio en reposo, así como en detectar para cada uno de estos conjuntos los fragmentos obtenidos.

El interés de estas colisiones es que permiten generar una importante cantidad de energía a los agregados de hidrógeno durante un período de tiempo suficientemente pequeño para que el sistema no tenga la posibilidad de evolucionar en su estado.

La evolución del tamaño de los fragmentos obtenidos gracias a la energía depositada en el agregado de hidrógeno es la que permitió detectar la capacidad calórica negativa, ya que se produjo un enfriamiento en el momento de la evaporación de los agregados.

Frontera imprecisa

Aunque en los sistemas macroscópicos las dos fases, gaseosa y líquida, pueden coexistir durante un tiempo, en un sistema tan pequeño como el constituido por los agregados de hidrógeno no existe una frontera clara entre el estado líquido o gaseoso.

Cuando un sistema tan pequeño se encuentra en un estado intermedio, inestable por naturaleza, tiende a recuperar cuanto antes las condiciones del estado gaseoso aún al precio del enfriamiento.

En el mundo macroscópico, en el que entran en juego grandes cantidades de moléculas, un enfriamiento tan brusco del sistema es imposible, por lo que coexisten las dos fases (líquida y gaseosa) a la misma temperatura durante un tiempo. La transición de fase sólo afecta de esta forma a un pequeño número de moléculas.

Para estos investigadores, la existencia en la materia molecular de capacidad calórica negativa reabre el debate sobre la frontera que separa el mundo microscópico del macroscópico, así como sobre el mismo concepto de temperatura.

Redefinir la temperatura

Son dos cuestiones nada triviales porque, según la termodinámica clásica, la temperatura es una escala de representación de la energía cinética media de una molécula en el seno de un sistema.

Ahora bien, determinar la temperatura de un sistema microscópico es algo diferente a esta definición tradicional porque el calor se mide a estos niveles a partir de la distribución estadística del tamaño de los agregados después de una colisión de gran velocidad.

De esta forma queda planteada la cuestión del límite entre lo micro y lo macro y la misma definición de la temperatura, que la experiencia sobre la capacidad calórica negativa no ha venido sino a exacerbar en el seno de la comunidad científica.

Y no se trata sólo de una cuestión teórica porque afecta también al campo de las nanotecnologías, en el que la miniaturización de dispositivos demanda interruptores electrónicos que sólo pueden fabricarse con ciertos átomos.

Eduardo Martínez de la Fe

Eduardo Martínez de la Fe, periodista científico, es el Editor de Tendencias21.

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