CAPITULO IV: TERCERA LEY DE LA TERMODINMICAEl tercer principio de la termodinmica o tercera ley de la termodinmica afirma que no se puede alcanzar el cero absoluto en un nmero finito de etapas. Sucintamente, puede definirse como: Al llegar al cero absoluto, 0 K, cualquier proceso de un sistema fsico se detiene. Al llegar al cero absoluto la entropa alcanza un valor mnimo y constante.4.1. Descripcin de la tercera ley de la termodinmicaEn trminos simples, la tercera ley indica que la entropa de una sustancia pura en el cero absoluto es cero. Por consiguiente, la tercera ley provee de un punto de referencia absoluto para la determinacin de la entropa. La entropa relativa a este punto es la entropa absoluta.Un caso especial se produce en los sistemas con un nico estado fundamental, como una estructura cristalina. La entropa de un cristal perfecto definida por el teorema de Nernst es cero (dado que el log (1) = 0). Sin embargo, esto desestima el hecho de que los cristales reales deben crecer en una temperatura finita y poseer una concentracin de equilibrio por defecto. Cuando se enfran generalmente son incapaces de alcanzar la perfeccin completa. Esto, por supuesto, se mantiene en la lnea de que la entropa tiende siempre a aumentar dado que ningn proceso real es reversible.Otra aplicacin de la tercera ley es con respecto al momento magntico de un material. Los metales paramagnticos (con un momento aleatorio) se ordenarn a medida de que la temperatura se acerque a 0 K. Se podran ordenar de manera ferromagntica (todos los momentos paralelos los unos a los otros) o de manera antiferromagntica.4.2. Equilibrio trmicoConsideremos dos cuerpos en contacto trmico. Si entre dichos cuerpos no existe flujo de calor entonces se dice que ambos cuerpos se encuentran en equilibrio trmico.El parmetro termodinmico que caracteriza el equilibrio trmico es la temperatura. Cuando dos cuerpos se encuentran en equilibrio trmico, entonces estos cuerpos tienen la misma temperatura.En realidad, el concepto de equilibrio trmico desde el punto de vista de la Termodinmica requiere una definicin ms detallada que se presenta a continuacin.4.3. Equilibrio Qumico y Constante de EquilibrioLas reacciones qumicas son, generalmente, procesos reversibles.

InicialmenteaA + bB cC + dD

cC + dD aA + bBCuando aparecen C y D

aA + bB cC + dD

Equilibrio qumico

El equilibrio es dinmico cuando las concentraciones netas no varan Porque se estn dando simultneamente los procesos directo e inverso.Imagen n 4 equilibrio

En el equilibrio qumico las concentraciones de todas las sustancias permanecen constantes.Representamos el equilibrio qumico con una flecha de doble sentido:aA + bB cC + dDSi aadimos ms reactivo A, la reaccin se desplazar hacia la derechaAl aumentar la concentracin de A, la velocidad del proceso directo aumenta, consumindose A y B y generndose C y D. Con el tiempo se alcanzar un nuevo equilibrio en el que las concentraciones permanecern constantes aunque de distinto valor del que tenan inicialmente.Cuando una reaccin se encuentra en equilibrio la relacin que existe entre las concentraciones de los productos y de los reactivos (se ha observado experimentalmente) que viene dada por la ley de accin de masas En un equilibrio qumico el cociente de reaccin es una constanteEsta constante depende slo de la temperatura y se conoce como constante de equilibrio K. La ley de accin de masas la representamos as:

4.4. EJEMPLOS DE LA TERCERA LEY DE LA TERMODINAMICA EN NUESTRO ENTORNO4.4.1. Superconductores Un superconductor es un material que no opone resistencia al flujo de corriente elctrica por l. La superconductividad es una propiedad presente en muchos metales y algunas cermicas, que aparece a bajas temperaturas, caracterizada por la prdida de resistividad a partir de cierta temperatura caracterstica de cada material, denominada temperatura crtica.

Los superconductores tambin presentan un acusado diamagnetismo, es decir, son repelidos por los campos magnticos. El fenmeno fue observado por primera vez en 1911 por el fsico holands H. Kamerlingh Onnes, y sus explicaciones tericas tardaron ms de cuarenta aos en establecerse.

El hecho de que la teora que explicaba este fenmeno se mostrara tan elusiva tiene su justificacin en que ni la teora clsica de materiales, construida por Drude y Lorentz, ni la posterior teora cuntica que Bloch y Grneisen desarrollaron en la dcada de los treinta podan dar cuenta del fenmeno de la desaparicin de resistencia elctrica.

Por su ausencia de resistencia, los superconductores se han utilizado para fabricar electroimanes que generan campos magnticos intensos sin prdidas de energa. Los imanes superconductores se han utilizado en estudios de materiales y en la construccin de potentes aceleradores de partculas. Aprovechando los efectos cunticos de la superconductividad se han desarrollado dispositivos que miden la corriente elctrica, la tensin y el campo magntico con una sensibilidad sin precedentes.

El descubrimiento de mejores compuestos semiconductores es un paso significativo hacia una gama mayor de aplicaciones, entre ellas ordenadores ms rpidos y con mayor capacidad de memoria, reactores de fusin nuclear en los que el plasma se mantenga confinado por campos magnticos, trenes de levitacin magntica de alta velocidad y, tal vez lo ms importante, una generacin y transmisin ms eficiente de la energa elctrica.

El Premio Nobel de Fsica de 1987 se concedi al fsico alemn J. Georg Bednorz y al fsico suizo K. Alex Mueller por su trabajo sobre la superconductividad a altas temperaturas.4.4.2. La criogenia Criogeniaes la ciencia y la tcnica de producir muy bajas temperaturas. La historia de la criogenia data de 1840 en que se us el fro (hielo) para el tratamiento de la malaria; en 1877 se logr licuar aire (-196C) y en 1908 se licu helio (-269C). Uno de los problemas ms difciles de resolver fue el de guardar los lquidos a estas temperaturas, ya que por conveccin o por radiacin aumentaban fcilmente su temperatura. Este problema fue resuelto por James Dewar en 1892 y el dispositivo inventado por l ahora lleva su nombre: dewar. Undewarest hecho de vidrio plateado o de acero delgado para minimizar las prdidas por conduccin y por radiacin, con vaco entre sus paredes para evitar las prdidas de energa por conveccin.

Figura 4.4.2. (a) Colocacin de las placas del conductor para diatermia de onda corta. (b) Colocacin de una bobina de induccin (alambre enrollado por el que pasa una corriente) para diatermia de microondas en la rodilla.Los problemas que involucra la transferencia de fluidos criognicos son similares a los de su almacenamiento. Las lneas de transferencia de estos fluidos estn construidas similarmente a los dewars. En medicina se usan las bajas temperaturas para la preservacin de sangre, esperma, tejidos, etctera. De hecho, el fro retarda todos los procesos; puede decirse que provoca un estado de animacin retardada o suspendida si la temperatura es muy baja.

Cuando los mtodos criognicos se usan para destruir clulas, se habla de lacriociruga; sta tiene varias ventajas: hay poco sangrado en el rea destruida, el volumen del tejido destruido se puede controlar por la temperatura de la cnula crioquirrgica, hay poca sensacin de dolor porque las bajas temperaturas insensibilizan las terminales nerviosas.

Una de las primeras aplicaciones de la criociruga fue en el tratamiento del mal de Parkinson, el cual provoca temblores incontrolables en brazos y piernas. Es posible detener los temblores destruyendo quirrgicamente la parte del tlamo cerebral que controla estos impulsos, para lo cual se dise un dispositivo especial que permite llegar a esta parte del cerebro y mantenerla por unos minutos a -85C, destruyndola sin afectar otras partes del cerebro; todo esto se lleva a cabo con el paciente consciente, de modo que los beneficios son detectados de inmediato y su recuperacin es sumamente rpida comparada con la que tendra si se somete a una intervencin quirrgica tradicional.

En la ciruga de cataratas y la reparacin de retinas daadas, se empieza a usar mucho la criogenia. Sin lugar a dudas tiene gran cantidad de aplicaciones, que estn siendo desarrolladas actualmente.Lacriogeniaes el proceso cientfico a travs del cual se congelan objetos u organismos, utilizando comnmentenitrgeno o helio lquidoen su punto de temperatura ms baja, alrededor de -150 C.

Al congelarse rpido y a una temperatura extrema, se evita que se deterioren por la accin de virus, bacterias o el ambiente, pudiendo luego recuperarlos sin daos.

Para qu se usa la criogenia

La criogenia tiene varios usos, especialmente en el rea de la medicina, en donde se le utiliza en cirugas, ya sea para destruir tejidos especficos oevitar hemorragias, bajando la temperatura en la sangre de forma radical, siendo tambin til en eltratamiento del cncer.

A la utilizacin quirrgica, se le denominacriocirugay se utiliza en reas como la neurologa, dermatologa, ginecologa e incluso ciruga plstica. Los primeros usos, datan de 30 aos atrs y se dieron en el campo veterinario, para luego pasar al cuidado de las personas.En el rea biolgica, se usa la criogenia paraconservar embrionespara su utilizacin posterior, lo mismo ocurre convulos, semene incluso tejidos.

La criogenia tambin se utiliza en diferentes reas de la produccin, ya que al aplicarla sobre algunos materiales, aumenta su duracin y resistencia.

Existe la idea de que, congelando un cuerpo humano a posteridad y de forma inmediata despus de su muerte (o justo antes), podra conservarse hasta que la ciencia encuentre una forma de curar el mal quetermin con su vidao, remediar el envejecimiento prolongado la vida.

Existen compaas que ofrecen aplicar el proceso de criogenia sobre los cuerpos a precios muy altos. No exista ninguna evidencia cientfica sobre su efectividad y, cualquier problema en el proceso de congelacin o conservacin, le hara perder utilidad.

Cmo se aplica el proceso de criogenia

La criogenia se hace dentro un laboratorio y para ello se utilizanmquinas especialesque convierten a elementos en forma de gas como el nitrgeno y helio en lquidos, lo que permite obtener temperaturas bajsimas de forma muy rpida.Al aplicar el proceso, los especmenes se guardan rpidamente en contenedores especiales que les conservan a una temperatura aproximada de -150 C. Cualquier interrupcin, puede arruinarlo.Se esperan grandes avances en el futuro de la criogenia, ya que ayudara a conservar rganos completos pararealizar trasplantesy tambin hara lo mismo con especies biolgicas o vegetales, evitando sucompleta extincin.

4.4.3. CriostatosLossistemas criognicosson capaces de enfriar hasta temperaturas de unos pocos grados Kelvin.LosCriostatosconstan de un refrigerador con una entrada y una salida de Helio gas. Este refrigerador est conectado al dewar que consta de tres etapas. La primera etapa es el recipiente generalmente construido de acero inoxidable o aluminio. La segunda etapa es la intermedia o "radiation shield" y se encarga de reducir la carga por radiacin hacia la tercera etapa o etapa fra.Existen diferentes tipos deCriostatos. Cuando se emplean He gas, se llamanCriostatosde ciclo cerrado (alcanzan temperaturas inferiores a 4K). Todos los sistemas criognicos de este tipo necesitan un compresor refrigerado por aire o agua. Este suministra Helio gas de una pureza del 99.999%.

Cuando se emplean He lquido o Nitrgeno lquido (77K) se les denomina Criostatosde ciclo abierto.

Imagen N 4.4.3. Criostatos

Sistemas de refrigeracin criognicosSistemas de refrigeracin criognicos de ciclo cerrado del ARS 'permiten un sistema para ser enfriado a temperaturas de helio lquido sin el uso de crigenos.Las nicas herramientas requeridas son la electricidad y agua de refrigeracin para el compresor.Estos Sistemas de refrigeracin criognicos se refieren a veces como "el helio-libre".Un trmino ms preciso sera "el helio lquido libre", ya que no utilizan el gas helio, en un circuito cerrado.Este reciclaje eficiente del gas helio significa que por lo general slo tendr que aadir helio una vez cada pocos aos.Otra ventaja de refrigeracin criognica de ciclo cerrado del ARS 'es que son impulsados neumticamente, por lo que tienen muy pocas piezas mviles.Como resultado, son ms fciles de mantener que otros tipos de uso espacial y son un buen ajuste para baja vibracin configuraciones experimentales.Fabricamos ms de 12 modelos diferentes de refrigeracin criognicos y somos capaces de incorporar modificaciones para hacer un sistema encaja la aplicacin del cliente.Es esta flexibilidad que permite la integracin con gonimetros, difractmetros y otras aplicaciones de espacio restringir.4.4.4. RefrigeradorElrefrigerador(tambin llamadorefrigeradora,frigorfico, neveraoheladera) es uno de loselectrodomsticosms comunes en elmundo. Un refrigerador es un dispositivo empleado principalmente en cocina y en laboratorio. Consiste en un armario aislado trmicamente, con un compartimento principal en el que se mantiene unatemperaturade entre 2 y 6C y tambin, frecuentemente, un compartimento extra utilizado paracongelacina 18C y llamado, apropiadamente,congelador.

El fro se produce mediante un sistema derefrigeracin por compresin, alimentado por corriente elctrica y, a veces, por un sistema deabsorcinusando como combustiblequerosenoogas butano.

Imagen N 4.4.4. Refrigeradores

Se conoce comorefrigeracin, generalmente, elenfriamientode un cuerpo portransferencia de calor. Algunas aplicaciones tpicas son la conservacin, en particular de alimentos, y tambin el enfriamiento de bebidas para hacer su consumo ms agradable.

El trmino ms antiguo de los citados arriba, es el deneveraque, en tiempos pasados, era un armario, a menudo de madera, aislado con corcho, en el que se pona nieve procedente depozos de nieve, antes de la invencin de los sistemas de refrigeracin mecnica; cuando se inventaron estos, y todava no haba llegado el refrigerador elctrico a las casas, se pona hielo procedente de fbricas de hielo. Aunque actualmente no se usa la nieve, como la funcin de los antiguos y de los modernos es la misma, se sigue empleando el trmino.

Heladera, que viene de cuando se utilizaba hielo (anlogamente a cuando se llamaba nevera), es un trmino que puede resultar ambiguo, pues con ese nombre tambin se conoce laheladorao mquina de fabricarhelados, y lo mismo ocurre conrefrigeradora(y en menor medidarefrigerador), que tambin se emplea para las mquinas grandes de produccin de fro para refrigeracin ambiental (climatizacin).

El trminofrigorfico(que hace, que fabrica, fro) parece el ms apropiado, pero tambin puede resultar ambiguo en ciertas regiones hispanoparlantes, ya que en estas zonas, con la dicha palabra se denomina solo a los establecimientos dedicados al procesado de determinados alimentos (frigorficos de carnes o de frutas, por ejemplo; en realidad, una simplificacin de establecimientos o almacenes frigorficos ).

En cualquier caso, todos los trminos arriba mencionados son correctos y solamente difieren en la preferencia de uso de cada regin..La funcin de una mquina de refrigeracin es tomar el calor de un ambiente a bajatemperatura(en este caso un armario cerrado y aislado trmicamente) y cederlo en el ambiente exterior (para el refrigerador domstico sera la cocina), empleando una fuente de energa externa para mantener el proceso. Un refrigerador es unabomba de calor(como las de agua, bombea calor de un lugar a bajo nivel trmico a otro de mayor nivel), impulsada generalmente por unmotor elctrico. Es asimismo posible emplear sales eutcticas oabsorcin.

Para que la eficiencia sea mayor, la diferencia de temperatura entre el condensador, (que contiene el calor absorbido por el refrigerante en el evaporador) y el aire ambiente debe ser mxima, ya que es en este lugar donde el calor sale del aparato. Por este motivo son ms eficientes en invierno que en verano y en cualquier poca, su consumo es menor si se sita en un lugar fresco. Asimismo debe procurarse que el intercambiador de calor externo (o condensador), que suele estar en la parte trasera del aparato, tenga una buena ventilacin.

Tambin son ms eficientes y, por lo tanto consumen menos, los aparatos que disponen de dos compresores, uno para cada compartimento (refrigeracin y congelacin). Efectivamente, si se est abriendo constantemente la puerta del refrigerador (mientras se prepara la comida), se pondr en marcha solamente uno de los dos compresores, sin aadir fro, que no hace falta, al compartimento congelador.

Uno de los pioneros del refrigerador fueCharles Tellier, que en 1867 invent un dispositivo destinado a fabricarhielo. Entre 1868 y 1869 se centr en el anlisis delfro industrialy sus aplicaciones. Pronto se dedic a la fabricacin de aparatos frigorficos para la conservacin de los alimentos. Introdujo elter dimetlicoy latrimetilaminaen la industria, y en 1876 consigui construir el primer frigorfico plenamente funcional.6Ese mismo ao acondicion un buque para transportar carne refrigerada. De esta manera se llev a cabo el primer transporte a larga distancia entre Argentina y Europa (concretamente entre Buenos Aires y la ciudad francesa deRuanen francs, Rouen), permitiendo que se pudiera consumir carne suramericana en Europa, cosa que antes hubiera sido impensable. Con esto dio comienzo un intenso trfico de carne entre Europa y Amrica. A pesar de la importancia de su invento, Tellier se mostr carente del espritu empresarial necesario para explotarlo comercialmente. Recibi honores, sobre todo enUruguayyArgentina(grandes beneficiarios del invento, que les permita exportar carne a Europa), donde se abrieron colectas para intentar ayudar a Tellier. Con todo, falleci en Pars casi en la miseria. Adems de su invento leg una importante obra, tituladaHistoria de una invencin moderna: el frigorfico(Pars, 1910).

Los refrigeradores domsticos pueden tener un solo compartimento, que puede ser decongelacin, o bien dos. Los frigorficos con dos compartimentos fueron comercializados por primera vez porGeneral Electricen 1939.

La capacidad del refrigerador se acostumbra a medir enlitros.Las posibilidades de los refrigeradores ms recientes se han ampliado notablemente; pueden tener: Unapantalla de cristal lquidoque sugiere qu tipos de comida deberan almacenarse a qu temperaturas y la fecha de caducidad de los productos almacenados. Indicador de las condiciones del filtro que avisa cuando llega el momento de cambiarlo. Una advertencia de apagn, alertando al usuario sobre la ocurrencia del mismo, usualmente al parpadear la pantalla que muestra la temperatura. Puede mostrar la temperatura mxima alcanzada durante el apagn (al no haber refrigeracin por falta de energa elctrica), junto con informacin sobre si la comida congelada se descongel o si hay posibilidad de que como resultado de la interrupcin de la refrigeracin pueda albergar bacterias dainas.4.4.5. Criociruga o crioterapia

Qu es la criociruga o crioterapia?

Es un procedimiento de destruccin de tejidos mediante el uso de una sustancia a temperatura de congelacin.

Cmo funciona el procedimiento y cmo se realiza?

La muerte celular se da por la conversin del agua celular en hielo. Existen distintos crigenos, siendo el ms empleado el nitrgeno lquido porque logra la menor temperatura en el tejido. Se pueden emplear distintas tcnicas de aplicacin: por rociado o spray, con aplicador (por ejemplo, hisopo) y de contacto con punta cerrada.

Cules son algunos usos comunes del procedimiento?

Se pueden tratar tanto lesiones benignas como malignas. Se utiliza para tratamiento de lesiones benignas como verrugas, queratosis seborreicas. O premalignas, como queratosis actnicas y malignas (algunas formas de carcinomas cutneos, no melanomas).

Que experimentar el paciente durante y despus del procedimiento?

Se produce dolor (mximo en los primeros minutos posteriores a la congelacin); edema (hinchazn) y la formacin de una ampolla. Luego se forma una costra o escara y cicatriza entre 2 a 4 semanas despus (depender del tipo de lesin tratada). Puede quedar una tipocroma residual (mancha ms clara que el resto de la piel).

Se usa anestesia?

Es un procedimiento bien tolerado en general, por lo que en pocos casos se necesita anestesiar la zona antes del tratamiento.

Cules son los beneficios y los riesgos?

Se puede emplear prcticamente en cualquier grupo etreo (por ejemplo, en ancianos que no pudieran afrontar una ciruga), con trastornos hemorragparos o anticoagulados, con marcapasos y en aquellos pacientes que no quieran ser intervenidos quirrgicamente. Es una prctica de consultorio, que no requiere un ambiente estril como un quirfano, y permite al paciente reintegrarse a su actividad en forma inmediata.

Cules son las limitaciones de la criociruga?

Una limitacin de la criociruga es que destruye la lesin a tratar y no permite el estudio del tejido destruido (es decir que no permite hacer la biopsia de la lesin). Por ello, cuando se emplea se debe valorar:

La seguridad en el diagnstico clnico, que no necesite una biopsia,Si es una lesin maligna con una confirmacin histolgica previa, debe ser una lesin de bajo riesgo (por su localizacin, su tamao, la agresividad histolgica, etc.). Por ejemplo, no puede tratarse un tumor maligno localizado en el borde del prpado, porque es probable que no lo destruya completamente y al continuar su crecimiento invada en profundidad.

Esto ser decidido por el dermatlogo que realice el procedimiento, que debe saber cul lesin podr ser tratada con criociruga y cul requerir otra teraputica para no exponer al paciente a un riesgo de recurrencia o persistencia de la lesin.4.4.6. Clima polar

Elclima polaroglidose caracteriza por tener casi permanentemente temperaturas por debajo de 0C; y escasas precipitaciones. La humedad en el aire es inexistente y el viento suele ser bastante intenso,1lo que hace an ms hostiles las condiciones de vida en esteclima.

El clima polar se da principalmente en los dospolos, alcanzando unas condiciones ms severas en laAntrtida, puesto que al tratarse de un continente, las temperaturas son ms fras que las delPolo Norte, llegando a alcanzar los -70, -80 y hasta -89,5C (rcord en la superficie de La Tierra). El clima de las zonas ms altas de las principalescordillerasdel planeta se asemejan mucho al polar, pudindose dar en las cumbres delHimalaya, de losAndeso de las montaas deAlaska.

Los medios naturales de la zona fra o medios polares se localizan entre elCrculo Polar rticoy elPolo Nortey entre elCrculo Polar Antrticoy elPolo Sur; es decir: entre los 65 y los 90 delatitudnorte y sur.

Climas fros Clima continental fro (norte y noreste de Europa, sur y centro de Siberia, Canad, y Alaska). Clima polar (en el rtico y en la Antrtida). Clima de montaa (zonas montaosas de ms de 3500 msnm cerca del Ecuador, hasta 1000 msnm en regiones fras).Hay dos zonas fras, una en el hemisferio norte y otra en el hemisferio sur. La primera est situada al norte del crculo polar rtico y la segunda al sur del crculo polar antrtico. En los polos las temperaturas son muy bajas porque los rayos solares llegan muy inclinados respecto a la superficie terrestre. El clima polar est caracterizado por tener casi permanentemente temperaturas por debajo de 0 C; y las precipitaciones son muy escasas. La humedad relativa en el aire es muy baja y el viento suele ser bastante intenso, lo que hace an ms hostiles las condiciones de vida en este clima. El clima polar se da principalmente en los dos polos, alcanzando unas condiciones ms severas en la Antrtida, puesto que al tratarse de un continente, las temperaturas son ms fras que las del Polo Norte, llegando a alcanzar los -70, -80 y hasta -89,5C (rcord en la superficie de La Tierra).El clima de las zonas ms altas de las principales cordilleras del planeta se asemejan mucho al polar, pudindose dar en las cumbres del Himalaya, de los Andes o de las montaas de Alaska. Los medios naturales de la zona fra o medios polares se localizan entre los crculos polares rtico y Antrtico y los correspondientes polos norte y sur, entre los 65 y los 90 delatitud norte y sur. Adems, el clima polar se subdivide en tundra y en hielo o glacial.

Tundra: presenta una vegetacin baja que va desapareciendo con la presencia de los primeros hielos. Todas las tierras muy prximas a los crculos polares tienen este clima.

Hielo o Glacial: es el correspondiente a alturas mayores de los 4.700 metros. Su temperatura es siempre bajo 0 grados. Las cumbres nevadas de todos los Andes, de las Cadenas montaosas de Europa, frica y Asia con cumbres nevadas, estn enmarcadas en este clima.

En la AntrtidaEn la meseta interior del continente Antrtico se registra un fuerte contraste trmico entre los meses de sol alto y los de noche polar. Por ejemplo, en la estacin Polo Sur estos valores oscilan entre -28 C en el verano austral y -60 C en el invierno austral. La precipitacin es muy en escasa y difcil de medir, considerando que generalmente cae en forma de nieve en un ambiente muy ventoso.En la Pennsula Antrtica las condiciones trmicas no son tan extremas, y la precipitacin anual es considerablemente mayor por efecto del paso de sistemas frontales. Su lado occidental se caracteriza por un clima martimo, y en su borde oriental predomina un clima continental relativamente ms fro, donde el hielo cubre el ocano todo el ao.4.4.7. El fro profundoRegresemos a la Tierra, ya que las bajas temperaturas existen slo aqu, y veremos cmo se logra obtenerlas. Esto ocurre en dos etapas. La primera es la licuacin del helio, cuya temperatura de ebullicin a presin normal (de 760 mm Hg) es igual a 4,2 K. En nuestros tiempos los cientficos tienen a su disposicin la cantidad necesaria de helio lquido y parten de dicha temperatura ya bastante baja. No es verdad que tal situacin recuerda el asalto al Everest: un grupo grande de sherpas transporta al pie de la montaa todo lo necesario para tos alpinistas, que, ahorrando fuerzas en la etapa preliminar, solamente desde aqu empiezan la conquista de la cumbre. Pero nosotros mostraremos no slo el asalto, sino tambin el sendero de los sherpas, ya que ste no es tan sencillo y pocos son los que pueden recorrerlo, adems, hace an muy poco tiempo, pasar por l por primera vez era un objetivo elevado.Recordemos que el helio lquido fue obtenido por Kamerlingh Onnes en 1908,75 aos atrs, y este suceso ha sido un gran logro de la ciencia. Vemos cmo la tcnica realiza el paso de la temperatura ambiente a la temperatura del helio lquido.La tcnica de refrigeracin ha recibido un gran desarrollo en la actualidad. Es suficiente recordar, por lo menos, que la industria produce millones de refrigeradores domsticos. No se podr utilizar una instalacin semejante para la licuacin del helio? Para esto tenemos que recordar cmo trabaja el refrigerador. El tipo ms comn de tales mquinas funciona as (fig. 4.4.7.): un compresor comprime el gas de trabajo hasta una presin de varias atmsferas. Mientras trabaja el compresor, el gas se calienta considerablemente y es necesario enfriarlo hasta temperatura ambiente en un radiador especial donde, continuando enfrindose, pasa al estado lquido. Este lquido es conducido por un tubo capilar a la cmara frigorfica donde ese tubo desemboca en un tubo ancho, de tal manera que la presin sobre el liquido disminuye bruscamente. Este empieza a evaporarse de un modo intenso, los vapores son bombeados por el propio compresor, y el ciclo se cierra. El enfriamiento se produce gracias a la evaporacin, ya que ese proceso transcurre con absorcin de calor.De este esquema se deduce que no cualquier gas sirve para el trabajo en un refrigerador. Lo principal que se exige de l que debe licuarse a presin moderada ya a la temperatura ambiente. Muchas sustancias poseen esta propiedad, por ejemplo, el fren-12 que, generalmente, se utiliza en la tcnica y cuya frmula qumica es CFJC12. Y si, por ejemplo, comprimimos e) helio ms fuertemente, tambin se volver lquido a temperatura ambiente? Desgraciadamente, no. Recordemos que para cualquier sustancia existe una temperatura crtica Tc por encima de la cual la fase lquida no existe. Para el helio 7 = 5,2 K, y mientras no lo enfriemos a una temperatura menor que sta, el refrigerador, basado en el principio de evaporacin, no trabajar.No se podr, entonces, utilizar el refrigerador por evaporacin aunque sea para un enfriamiento preliminar? La temperatura que con l obtiene ser tanto ms baja cuanto menor sea la presin del vapor sobre el lquido (o sobre el cuerpo slido). Pero, por desgracia, la presin del vapor saturado de todas las sustancias disminuye rpidamente al bajar la temperatura. La ley de Boltzmann nos sugiere que Psat x eva kT, donde qevap es el calor de evaporacin correspondiente a una molcula, o sea, la energa que es necesario comunicarle a sta para que pase del estado lquido -energticamente ventajoso- al estado de vapor.El destino de cualquier refrigerador es absorber calor del objeto que se enfra y compensar el flujo parsito de calor inevitable. Por eso, el rendimiento del refrigerador no debe ser demasiado pequeo. En nuestro caso es igual al calor de evaporacin multiplicado por la cantidad de sustancia de trabajo bombeada por unidad de tiempo. Pero si la presin del gas es baja, no se podr bombear mucha sustancia y, por consiguiente, la eficacia del refrigerador disminuir como el vapor Como jevap tiene el mismo orden de magnitud que kTc, por lo visto ser muy difcil obtener un valor mucho inferior a Tc.Pues no importa, eso an no es una catstrofe. Se puede intentar elegir otra sustancia para el refrigerador, tal que ste empiece a trabajar desde el nivel de temperatura alcanzado por el primer refrigerador, y con su ayuda obtener una temperatura ms baja. Y as sucesivamente. En tal refrigerador en cascada (fig. 4.2) se pueden, por ejemplo, utilizar las siguientes sustancias: amonaco NH3 (hasta ~230 K),eti)enoC2H4(173 K),metanoCH4{112 K)y nitrgeno N2 (63 K). Es un gran triunfo: pues as se puede licuar el aire! Es cierto que para esto existen soluciones tcnicas ms eficientes, pero, sin profundizar en este tema, podemos considerar que la obtencin de aire lquido ya no es un problema. Pero ms adelante la cadena se rompe. La temperatura crtica del hidrgeno, que podra ser el siguiente eslabn, constituye solamente 33 K. Mas tampoco este gas salvara la situacin: absorbiendo los vapores de hidrgeno es posible obtener tan slo 14 K, lo cual an se encuentra por encima de la temperatura crtica del helio, Por lo tanto, es necesario buscar otro mtodo de enfriamiento.Tal mtodo existe y es extraordinariamente sencillo. Resulta que para eso basta con que el gas comprimido se expansione dejndolo pasar por un orificio estrecho, o sea, por una vlvula de estrangulacin en cuyo canal, gracias al rozamiento, la velocidad del flujo se reduce a cero. El hecho de que en el referido proceso, llamado proceso de Joule-Thomson, el gas se enfra, no es evidente ni mucho menos. Por ejemplo, para un gas ideal, en este caso no ocurre ningn cambio de temperatura en general*1.Sin embargo, cuando los parmetros de un gas son prximos a los parmetros crticos, comienza a manifestarse su calidad de gas no ideal, lo cual se debe a la atraccin mutua de las molculas.

FIG. 4.4.7. Esquema de un refrigerador domstico: 1 compresor, 2, radiador; 3r cmara frigorfica vaporizadora, vlvulas.

4.4.8. SuperfluidezLleg el momento de dedicarse al asunto acerca de lo que ocurre con el helio a temperaturas ms bajas de 2,17 K, o sea, cuando ese gas cesa de hervir. No se sabe si Kamerlingh Onnes prest atencin a tal fenmeno, ya que de eso l no escribi nada en sus trabajos. Pero, a pesar de todo, fue el primero quien indic que a dicha temperatura las propiedades del helio poseen una singularidad. Tras obtener helio lquido, Kamerlingh Onnes se dedic a la medicin de sus parmetros y, en primer lugar, a la determinacin de su densidad a temperaturas diferentes, El experimento lo realiz junto con su colega Boks.El mismo consista en lo siguiente. En un vaso Dewar con helio lquido se sumerga un pequeo recipiente de vidrio-probeta graduada de volumen conocido, en cuya parte superior se hallaba soldado un tubo de vidrio graduado, de dimetro determinado (fig. 6.1). AI referido recipiente fue soldado un tubo metlico capilar, el cual, a travs de la tapa que cerraba hermticamente el vaso Dewar, sala al medio ambiente. All fue conectado a otro recipiente de volumen establecido, el cual se llenaba de helio gaseoso. Su presin se meda con un manmetro. La cantidad total de helio contenido en el sistema de medicin se determinaba antes del experimento, a base de la presin, el volumen y la temperatura magnitudes ya conocidas valindose de la frmula de Mendelev Clapeyron.Durante el enfriamiento, parte del helio se condensaba en la probeta y, segn la posicin del menisco en el tubo capilar, se poda determinar el volumen del lquido. Con arreglo a la presin en el volumen que quedaba a temperatura ambiente, se determinaba la cantidad de helio que no se condensaba. Es evidente que estos datos eran suficientes para calcular la densidad del lquido. Extrayendo con una bomba los vapores de helio del vaso Dewar, se poda variar la temperatura del lquido y medir la dependencia p (7) representada en la ftg, 6.2. El mximo a temperatura Tx2,2 K*> intrig a los investigadores. Eso indicaba claramente la existencia de cierto cambio cualitativo que ocurra en el helio a esta temperatura. El hecho es que cualquier alteracin de la monotona de variacin de las magnitudes fsicas en funcin de la temperatura, obligatoriamente est relacionada con el cambio irregular de la estructura de la sustancia, o sea, con la transicin de fase. Por ejemplo, puede ser la transicin vapor liquido, lquido-slido, ctc.

FIG. 4.4.8. Esquema de una instalacin para medir la densidad del helio lquido: 1volumen de medicin; 2. vaso Dewar con helio lquido; 3 recipiente de volumen conocido; 4, bao con hielo en estado de fusin: 5. manmetro de mercurio.4.4.9. Helio lquido y slidoEn cuanto a disposicin de los fsicos apareci el helio lquido, ellos comenzaron a estudiar sus propiedades y en seguida tropezaron con el hecho de que ste no se parece a ningn otro lquido. Para aclarar en qu consiste esa diferencia, primero es necesario recordar qu propiedades generales poseen los lquidos. Por lo visto, Kamerlingh Onnes esperaba que eso mismo ocurrira con el helio, cuando por primera vez en el mundo comenz a extraer los vapores del nuevo lquido obtenido por l. Podemos describir exactamente lo que apareci ante sus ojos, ya que ese mismo cuadro desde entonces lo han visto centenares de veces todos los investigadores que trabajan con helio lquido. Pues bien, al principio la presin de los vapores es igual a la presin atmosfrica, la temperatura constituye 4,2 K, y el lquido hierve tranquilamente, ya que, gracias a la radiacin suministrada, surge inevitablemente calor. Se observan muchas burbujas pequeas que se separan de las paredes y se acumulan en la superficie. Al comenzar la extraccin de vapor la ebullicin se hace ms intensa, ya que ahora, junto con el vapor se evaca la energa relacionada con la capacidad trmica del lquido. De pronto, a la presin de - 40 mm Hg (y a la temperatura de -2,17 K) la ebullicin cesa instantneamente, todas las burbujas desaparecen y el helio se vuelve completamente transparente. Algo ha ocurrido, pero el mismo se mantiene lquido. Se ve bien su superficie libre y el menisco en la pared. Si sacudimos el aparato, el helio comienza a ondularse y no se tranquiliza durante mucho tiempo.Continuemos la extraccin de vapor. Kamerlingh Onnes, en sus primeros experimentos logr alcanzar la temperatura de 1,4 K, y dentro de diez aos y pico, la de 0,8 K, o sea, siete veces ms baja que la temperatura crtica, pero el helio segua siendo lquido. Sin embargo, para el hidrgeno, por ejemplo, el punto triple se manifiesta a - 14 K, y la temperatura crtica, a % -33 K, es decir, la diferencia constituye un poco ms del doble. Ahora los cientficos ya han llegado a alcanzar milsimos de grado Kelvin, y el cuadro se mantiene igual, y no cabe la menor duda que incluso hasta el cero absoluto el lquido limita con los vapores de helio. Por consiguiente, el helio no tiene punto triple! Es la nica sustancia que posee tal propiedad. Precisamente para que se pueda realizar la extraccin de vapor, el criostato mostrado en la fig. 4.6, b se halla cerrado hermticamente con una tapa de vaco, y al tubo lateral se conecta una manguera hacia la bomba. Podemos (razar la linea vapor-lquido (fig. 5,2) e indicar en ella un punto singular, en el que ces la ebullicin a -2,17 K.As pues, se puede decir que dos fenmenos excepcionales se ven, en efecto, a simple vista. Pero es necesario entender por qu el helio dej de hervir y por qu no se vuelve slido, Utilizando la ley de la mecnica cuntica, conocida con el nombre de principio de ncertidumbre, es posible explicar por qu el helio no se endurece. Intentaremos explicar qu significa eso, a partir de lo que sabemos del micro mundo.Una de las principales caractersticas de cualquier cuerpo es su tamao. El del tomo puede ser medido por muchos mtodos. Uno de ellos se basa en el estudio de la dispersin de unos tomos en otros-recuerden cmo Rutherford meda las dimensiones de los tomos! Solamente que en este caso la tcnica es mucho ms sencilla, ya que, gracias al movimiento trmico, los tomos en cualquier gas chocan e informan unos a otros acerca de sus dimetros. Por eso, midiendo, por ejemplo, la velocidad de difusin es posible calcular las dimensiones de los tomos. No detallaremos la esencia de tales mediciones, pero tomaremos de un manual los datos que nos interesan y los apuntaremos en una tabla.Vemos que los dimetros de los tomos se diferencian, aunque no demasiado, unos de otros. Adems es evidente que la variacin de las dimensiones no est relacionada directamente ni con el nmero de electrones ni con la masa atmica.Cualquier tomo consta de un ncleo muy pequeo y de electrones que se mueven alrededor de ste. Los electrones en su movimiento forman una especie de nube en el volumen del tomo, y son precisamente ellos los que determinan su dimetro. Cuanto mayor es el tomo, tanto ms alejados del ncleo, por trmino medio, se encuentran los electrones. Se puede estimar que cuanto ms lejos del centro se halle el electrn, menos energa es necesario agregar para separarlo del tomo. Este proceso, llamado ionizacin, est bien estudiado. Es absolutamente anlogo al efecto fotoelctrico y, al igual que el umbral de dicho efecto, el umbral de ionizacin E puede ser medido al aparecer corriente elctrica a travs de un gas iluminado por una luz visible o una luz ultravioleta.