Criofísica FÍS.

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Física

Nombre con que se conoce la Física de las bajas temperaturas (del griego críos, hielo); en ella se estudian los fenómenos físicos que se producen a temperaturas inferiores a los 20K (2530C aprox.). En la actualidad constituye una de las partes de la Física en que más se investiga, porque a esas temperaturas la materia se comporta de un modo original y, en cierta manera, extraño para el observador normal. A la temperatura ordinaria existe un movimiento de origen térmico que agita sin cesar los componentes más pequeños de la materia, y que es tanto más acusado cuanto mayor es la temperatura. Este movimiento tiende a desordenar la estructura de la materia produciendo el "caos término", que oculta multitud de fenómenos físicos. La naturaleza enmascara este caos térmico microscópico trabajando estadísticamente a gran escala con poblaciones de partículas de valor tan elevado como 6. 1023 (1 mol), de modo que sólo se observan valores medios, quedando inapreciables las fluctuaciones individuales, aunque a veces resultan directamente observables (movimiento browniano, ruido de Jonhson, etc.). Es posible obtener cierto "reposo" eliminando la mayor cantidad posible de energía, es decir, haciendo descender la temperatura al valor más pequeño posible. En el intervalo de temperaturas indicadas anteriormente, la materia adquiere propiedades originales, y así se obtienen conductores eléctricos carentes de resistencia (superconductores) y líquidos sin viscosidad (superfluidos), como el helio (He 4), por debajo de 2,18 K, cuyo comportamiento es tan diferente del resto de los líquidos, que suele denominársele "cuarto estado" de la materia.

Además del estudio de las especiales propiedades de la materia a estas temperaturas extremas, la criogenia (producción y mantenimiento de muy bajas temperaturas) tiene numerosas aplicaciones prácticas, algunas de ellas ya realizables, y otras que podrán serlo en el futuro. Entre aquéllas pueden citarse el empleo del hidrógeno líquido (punto de ebullición 20,28 K) para combustible de cohetes y para cámaras de burbujas detectoras de radiaciones de alta energía, la aplicación de la superconductividad para electroimanes, transformadores, líneas de transmisión de energía eléctrica, giróscopos, elementos de calculadores, masers, etc. Asimismo el He líquido se emplea para preenfriar los depósitos de hidrógeno de los cohetes, etc.

Escala Kelvin de temperaturas. La escala Celsius de temperatura (°C) divide el intervalo de temperaturas entre el punto de fusión del hielo (OOC) y el de ebullición del agua (100° C), a la presión atmosférica normal (760 mm.

Hg.), en 100 partes iguales. La extrapolación por debajo de 0°C del grado así definido llevó a la consideración de la temperatura 273,15° C, como aquella a la que los gases supuestos ideales tendrían presión nula. El concepto de máquina ideal de S: Carnot condujo al sabio inglés lord Kelvin (v.) a establecer una nueva escala de temperaturas absolutas T, cuyo grado unidad es el Kelvin, (K) mediante el empleo de máquinas de este tipo que absorben calor (Ql) del foco caliente, cediendo parte de él (Q2) al foco frío y transformando el resto de energía (Q1Q2) en trabajo. La nueva escala viene definida por la relación de proporcionalidad’ _TI _ Q, T2 Q2y estableciendo un número (273,16 K) para la temperatura del punto triple del agua. Según esta definición, el rendimiento de una máquina de Carnot,n=(QiQ2)lQI=(TiT2)lTi,sería la unidad (Q2=0) si T20, es decir, el cero absoluto. Del tercer principio de la Termodinámica (v.) se deduce inmediatamente que esta temperatura no se puede obtener mediante un número finito de procesos y se convierte en un límite inalcanzable. La "distancia" que separa, pues, la temperatura de 1 K y la temperatura de 0 K no es la misma que la existente entre 2 K y 1 K. La representación logarítmica de la escala absoluta de temperaturas (fig. 1) da mejor idea de esta inaccesibilidad, habiéndose señalado en ella algunos puntos característicos de referencia. Para indicar temperaturas en la escala de Kelvin, frecuentemente se emplea también la notación °K.

Obtención de bajas temperaturas. La obtención de bajas temperaturas está íntimamente relacionada con los intentos de licuar los gases, que se iniciaron a finales del s. xvlli. Desde entonces hasta mediados del xix, se consiguieron licuar, mediante enfriamiento o compresión o una combinación de ambos efectos, la mayoría de los gases, excepto el oxígeno, nitrógeno e hidrógeno (a los que hay que añadir los gases nobles, entonces desconocidos, y algún otro, que recibieron en general el nombre de "gases permanentes"). Para licuar un gas por compresión solamente, se debe trabajar por debajo de su temperatura crítica, que en los gases mencionados corresponde respectivamente a 154,4 K, 126,1 K y 33,3 K, lo que explica la dificultad de la operación (la temperatura crítica del He es 5,2 K). Naturalmente, una vez conseguida la licuación de un gas, se servían los científicos de él como refrigerante en etapas progresivamente descendentes para licuar otros a temperatura más baja. Hasta 0,3 K aprox., el enfriamiento se consigue fundamentalmente por los tres procedimientos siguientes (v. FRÍO, TÉCNICA DEL I:1) Vaporización a baja presión de un líquido, ya que las moléculas del líquido que pasan al vapor con mayor facilidad son las que tienen mayor energía del conjunto, disminuyendo, pues, el valor medio de la energía del líquido, o sea, su temperatura.

2) Efecto JouleKelvin de estrangulación o laminación. Los gases por debajo de una cierta temperatura de inversión se enfrían al expansionarse bruscamente, cuando pasan a través de una válvula adecuada (fig. 2). Este sistema es el que se emplea hoy en día universalmente en los sistemas de refrigeración convencionales.

3) Proceso de Claude de enfriamiento por expansión adiabática, realizando el gas un trabajo contra una presión externa (fig. 3). En la compresión el gas se calienta a temperatura constante, eliminándose el calor a un refrigerante adecuado. Después de aislar del refrigerante el cilindro que contiene el gas, se verifica la expansión con el consiguiente enfriamiento de éste, ya que el trabajo producido ha de serlo a costa de la energía interna del gas.

En estos dos últimos casos el gas enfriado en una etapa del proceso suele refrigerar al gas que entra en el circuito, con lo que la expansión se realiza partiendo ya de una temperatura inferior, hasta que se consigue descender a un valor por debajo del punto de licuefacción.

Así consiguió Cailletet licuar el oxígeno en 1877, J. Dewar el hidrógeno, en 1898, y K. Onnes el helio, en 1908. Para alcanzar temperaturas por debajo de 0,3 K (límite de temperatura obtenido por ebullición a baja presión del isótopo He 3 líquido) se emplean los métodos de desimanación adiabática, cuyo principio es semejante al método 3) (fig. 4). Dentro de un recipiente con He líquido, situado entre los polos de un potente electroimán, se introduce una sal paramagnética. Al aplicar el campo magnético, se produce un trabajo magnético isotermo sobre la sal, con una orientación preferente de los spines (v. ELECTRÓN) de los átomos paramagnéticos. Se aísla a continuación la sal del baño de He y se elimina el campo magnético, con lo que se vuelven a desorientar los spines, pero a costa de parte de su energía térmica, consiguiéndose así un enfriamiento notable. Con esta técnica ideada por W. F. Giauque, se han obtenido temperaturas del orden de 0,001 K, empleándose como sal paramagnética el alumbre de cromo y potasio. Si se extiende esta técnica a los spines nucleares, se consiguen temperaturas aún más bajas. Mediante este último método F. E. Simon y N. Kurti en el Clarendon Laboratory de Oxford obtuvieron (1956) la temperatura de 0,000001 K, que es la más baja obtenida hasta el presente.

Medida de bajas temperaturas. Hasta temperaturas del orden de 1 K puede utilizarse la escala o termómetro de presión de vapor del He. Por debajo de esta temperatura se ha de emplear la denominada temperatura magnética T* que utiliza la medida de la susceptibilidad magnética, admitiendo que sigue siendo válida la ley de Curie, T=constante, en este margen de temperaturas (v. MAGNETISMO I). Para hacer las medidas, se colocan (fig. 4) unas bobinas rodeando la muestra y, de este modo, se utiliza como parámetro termométrico la inductancia de la bobina, previa la determinación de la relación entre T* y T, lo que equivale a un tarado de dicho dispositivo termométrico.

Helio líquido y superfluidez. Al enfriar, todas las sustancias gaseosas se vuelven primero líquidas y después sólidas, excepto el isótopo de masa atómica 4 del gas helio (He 4). Este elemento natural ligero (sólo el hidrógeno tiene una densidad inferior) es un gas incoloro, inodoro e insípido que se licua a 4,18 K a la presión ambiente, pero permanece líquido hasta el cero absoluto. En la fig. 5 puede verse la superficie de estado de este elemento, apreciándose las características siguientes,que son más fáciles de observar en el plano pT. La temperatura del punto crítico es 5,25 K, por debajo de la cual se convierte en líquido. El estado sólido puede obtenerse en el cero absoluto, pero sólo a presiones superiores a 25 atm. Este hecho característico es llamativo e indica que el He líquido debe tener propiedades especiales que justifiquen el considerarle como un líquido cuántico. En efecto, cuando se desciende su temperatura por debajo de 2,18 K, que se conoce como punto lambda(a), por la forma característica que adquiere el calor específico al llegar a dicha temperatura (fig. 6), se observan macroscópicamente efectos cuánticos sólo observables microscópicamente en el resto de las sustancias. Esto hace que el líquido, a temperaturas superiores a 2,18 K, se llame He 1 y, por debajo, He 11. El He sigue siendo líquido, de modo que nos encontramos ante una transición de 2° orden (en contraposición coro las transiciones o cambios de fase de primer orden, sólidolíquido, sólidovapor, etc.), que se acepta constituye una "condensación de BoseEinstein", ya que el He 4 obedece en su comportamiento a la estadística de BoseEinstein.

El He II es extraordinariamente buen conductor del calor (más de 1.000 veces mejor que el cobre) y este hecho sirve para apreciar la transición. Por encima del punto lambda, el He 1 hierve, produciéndose burbujas en las paredes del vaso dewar donde está contenido, porque la "entrada de calor" se verifica a través de ellas. Al alcanzar el punto citado, el calor que entra se propaga con gran facilidad hacia la superficie libre del líquido, produciéndose sólo allí la evaporación y calmándose el líquido. Pero la característica más sobresaliente del HE 11 es su falta de viscosidad. P. Kapitza colocó dos discos, separados entre sí 0,5 micras, donde era inapreciable el escape de He I, pero por donde fluía libremente el He 11, ya que su viscosidad desciende a 101I poises, inferior a la del hidrógeno (v. FLUIDOS u). Sin embargo, si se utiliza un disco oscilante en el interior del líquido para medir la viscosidad, se encuentra un valor de 105 poises solamente, lo cual se explica admitiendo una mezcla de He superfluido con He normal, siendo el primero el que origina el escape a través de capilares, y el segundo, al adherirse al disco, el responsable de las diferentes medidas con este método. Modernamente se admite la existencia de un He superfluido, mezclado con otro fluido de "excitones", que aporta el exceso de energía que el He tiene por encima del cero absoluto. Efectos llamativos del He en estas condiciones son, entre otros, el efecto fuente, según el cual, el líquido contenido en un recipiente en comunicación con He líquido asciende por un capilar y forma una fuente al ser excitado mediante una resistencia eléctrica o la simple iluminación(por razones parecidas, el He 1 "trepa" por las paredes de los recipientes en que está encerrado), y el segundo sonido, o propagación de excitones térmicos por variaciones de densidad entre ambos componentes de He líquido, permaneciendo constante la densidad media de éste.

Finalmente, conviene aclarar que el He 3 (isótopo poco abundante) carece de estas propiedades, pues su comportamiento obedece a la estadística de FermiDirac, que no admite "condensación" equivalente a la del He 4.

Superconductividad. Sin embargo, el fenómeno más interesante por sus actuales y futuras aplicaciones técnicas es la superconductividad, en virtud de la cual, a una temperatura determinada (diferente, según la sustancia), ciertos elementos y aleaciones pierden toda su resistencia al flujo de la corriente eléctrica, al mismo tiempo que se convierten en pantalla eficaz frente al magnetismo. Este fenómeno fue ya observado por K. Onnes en 1911 con un conductor capilar de mercurio que se hizo superconductor a 4,2 K (fig. 7). La superconductividad puede destruirse por la acción de un campo magnético adecuado. Así, p. ej., el plomo se hace superconductor a 7,2 K en ausencia de un campo magnético exterior (fig. 8) y el campo crítico llega a valer 800 gauss a 0 K. La superconductividad es característica sólo de los elementos próximos al centro de la tabla periódica de los elementos, especialmente aquellos que tienen tres, cinco o siete electrones en su capa exterior.

Una vez que se ha hecho circular una corriente en el superconductor, continúa fluyendo sin interrupción indefinidamente (se ha conseguido mantener más de dos años una corriente de este tipo). Pero son las propiedades del campo magnético, originado por la corriente y tan permanente como ella, las que hacen útil e interesante el fenómeno. Por las propias características indicadas, un superconductor es un aislante de los campos magnéticos. Las corrientes de Foucault que aparecen en un conductor ordinario están, en el caso de un superconductor, en capas superficiales de espesor inferior a la micra y, una vez creadas, proseguirán circulando indefinidamente. El flujo magnético asociado a dichas corrientes está orientado paralelamente al del campo externo, transformándose la superficie del conductor en un "espejo" magnético que refleja las líneas de fuerza del campo magnético externo. Este efecto especular permite mejorar el enfoque y la resolución de los microscopios electrónicos y puede aplicarse en otros muchos dispositivos, como cavidades resonantes para microondas, cojinetes sin rozamiento, motores eléctricos de elevado rendimiento, electroimanes y transformadores de gran potencia sin pérdidas, etc.

V. t.: TEMPERATURA; CALAR.

J. DE LÁ RUBIA PACHECO.

BIBL.: K. MENDELSSOHN, La búsqueda del cero absoluto, Madrid 1965; ID, Cryophysics, Nueva YorkLondres 1960; L. C. JACKSON, Low Temperature Physics, Nueva YorkLondres 1962; M. W. ZEMANSKY, Calor y Termodinámica, Madrid 1954.