CAPITULO IV: TERCERA LEY DE LA TERMODINÁMICA El tercer principio de la termodinámica o tercera ley de la termodinámica afirma que no se puede alcanzar el cero absoluto en un número 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 !alor mnimo y constante.
4.1. Descripción de l !ercer le" le" de l !er#$din%#ic !er#$din%#ic En t"rminos simples, la tercera ley indica que la entropa de una sustancia pura en el cero absoluto es cero. #or consiguiente, la tercera ley pro!ee de un punto de referencia absoluto para la determinaci$n de la entropa. %a entropa relati!a a este punto es la entropa absoluta. &n caso especial se produce en los sistemas con un único estado fundamental, como una estructura cristalina. %a entropa de un cristal perfecto definida por el teorema de 'ernst es cero (dado que el log ()* + 0*. Sin embargo, esto desestima el eco de que los cristales reales deben crecer en una temperatura finita y poseer una concentraci$n de equilibrio por defecto. -uando se enfran generalmente son incapaces de alcanzar la perfecci$n completa. Esto, por supuesto, se mantiene en la lnea de que la entropa tiende siempre a aumentar dado que ningún proceso real es re!ersible. tra aplicaci$n de la tercera ley es con respecto al momento magn"tico de un material. %os metales paramagn"ticos (con un momento aleatorio* se ordenarán a medida de que la temperatura se acerque a 0 K. Se podran ordenar de manera ferromagn"tica (todos los momentos paralelos los unos a los otros* o de manera antiferromagn"tica.
4.&. E'(ili)ri$ !*r#ic$ -onsideremos dos cuerpos en contacto t"rmico. Si entre dicos cuerpos no e/iste fluo de calor entonces se dice que ambos cuerpos se encuentran en equilibrio t"rmico. El parámetro termodinámico que caracteriza el equilibrio t"rmico es la temperatura. -uando dos cuerpos se encuentran en equilibrio t"rmico, entonces estos cuerpos tienen la misma temperatura. En real realid idad ad,, el conc concep epto to de equi equili libr brio io t"rm t"rmic icoo desd desdee el punt puntoo de !ist !istaa de la 1ermodinámica 1ermodinámica requiere una definici$n más detallada que se presenta a continuaci$n.
4.+. E'(ili)ri$ ,(-#ic$ " C$ns!n!e de E'(ili)ri$ %as reacciones qumicas son, generalmente, procesos re!ersibles.
aA
+ bB → cC + dD
cC
+ dD → aA + bB
Inicialmente
Cuando aparecen C y D
aA + bB
Equilibrio químico
cC + dD El equilibrio es dinámico cuando las concentraciones netas no !aran #orque se están dando simultáneamente los procesos directo e in!erso.
I#en n/ 4 e'(ili)ri$
En el equilibrio qumico las concentraciones de todas las sustancias permanecen constantes. 2epresentamos el equilibrio qumico con una fleca de doble sentido: aA
3 bB 4 cC 3 dD
Si a5adimos más reacti!o A, la reacci$n 6se desplazará acia la dereca7 Al aumentar la concentraci$n de A, la !elocidad del proceso directo aumenta, consumi"ndose A y 8 y generándose - y 9. -on el tiempo se alcanzará un nue!o equilibrio en el que las concentraciones permanecerán constantes aunque de distinto !alor del que tenan inicialmente. -uando una reacci$n se encuentra en equilibrio la relaci$n que e/iste entre las concentraciones de los productos y de los reacti!os (se a obser!ado e/perimentalmente* que !iene dada por la ley de acci$n de masas
7En un equilibrio qumico el cociente de reacci$n es una constante7 Esta constante depende s$lo de la temperatura y se conoce como constante de equilibrio K. %a ley de acci$n de masas la representamos as:
4.4. E0EMPLO DE LA TERCERA LEY DE LA TERMODINAMICA EN NUETRO ENTORNO 4.4.1. (perc$nd(c!$res &n superconductor es un material que no opone resistencia al fluo de corriente el"ctrica por "l. %a superconducti!idad es una propiedad presente en mucos metales y algunas cerámicas, que aparece a baas temperaturas, caracterizada por la p"rdida de resisti!idad a partir de cierta temperatura caracterstica de cada material, denominada temperatura crtica. %os superconductores tambi"n presentan un acusado diamagnetismo, es decir, son repelidos por los campos magn"ticos. El fen$meno fue obser!ado por primera !ez en ))) por el fsico oland"s ;. Kamerling nnes, y sus e/plicaciones te$ricas tardaron más de cuarenta a5os en establecerse. El eco de que la teora que e/plicaba este fen$meno se mostrara tan elusi!a tiene su ustificaci$n en que ni la teora clásica de materiales, construida por 9rude y %orentz, ni la posterior teora cuántica que 8loc y
tal !ez lo más importante, una generaci$n y transmisi$n más eficiente de la energa el"ctrica. El #remio 'obel de >sica de )?@ se concedi$ al fsico alemán .
4.4.&. L cri$eni -riogenia es la ciencia y la t"cnica de producir muy baas temperaturas. %a istoria de la criogenia data de )?C0 en que se us$ el fro (ielo* para el tratamiento de la malariaD en )?@@ se logr$ licuar aire ()FG-* y en )0? se licu$ elio (HFG-*. &no de los problemas más difciles de resol!er fue el de guardar los lquidos a estas temperaturas, ya que por con!ecci$n o por radiaci$n aumentaban fácilmente su temperatura. Este problema fue resuelto por ames 9eIar en )?H y el dispositi!o in!entado por "l aora lle!a su nombre: deIar. &n dewar está eco de !idrio plateado o de acero delgado para minimizar las p"rdidas por conducci$n y por radiaci$n, con !aco entre sus paredes para e!itar las p"rdidas de energa por con!ecci$n.
2i(r 4.4.&. 3 C$l$cción de ls plcs del c$nd(c!$r pr di!er#i de $nd c$r!. 3) C$l$cción de (n )$)in de ind(cción 3l#)re enr$lld$ p$r el '(e ps (n c$rrien!e pr di!er#i de #icr$$nds en l r$dill.
%os problemas que in!olucra la transferencia de fluidos criog"nicos son similares a los de su almacenamiento. %as lneas de transferencia de estos fluidos están construidas similarmente a los deIars. En medicina se usan las baas temperaturas para la preser!aci$n de sangre, esperma, teidos, etc"tera. 9e eco, el fro retarda todos los procesosD puede decirse que pro!oca un estado de animaci$n retardada o suspendida si la temperatura es muy baa. -uando los m"todos criog"nicos se usan para destruir c"lulas, se abla de la criocirugaD "sta tiene !arias !entaas: ay poco sangrado en el área destruida, el !olumen del teido destruido se puede controlar por la temperatura de la cánula crioquirúrgica, ay poca sensaci$n de dolor porque las baas temperaturas insensibilizan las terminales ner!iosas. &na de las primeras aplicaciones de la criociruga fue en el tratamiento del mal de #arJinson, el cual pro!oca temblores incontrolables en brazos y piernas. Es posible detener los temblores destruyendo quirúrgicamente la parte del tálamo cerebral que controla estos impulsos, para lo cual se dise5$ un dispositi!o especial que permite llegar a esta parte del cerebro y mantenerla por unos minutos a ?G-, destruy"ndola sin afectar otras partes del cerebroD todo esto se lle!a a cabo con el paciente consciente, de modo que los beneficios son detectados de inmediato y su recuperaci$n es sumamente rápida comparada con la que tendra si se somete a una inter!enci$n quirúrgica tradicional. En la ciruga de cataratas y la reparaci$n de retinas da5adas, se empieza a usar muco la criogenia. Sin lugar a dudas tiene gran cantidad de aplicaciones, que están siendo desarrolladas actualmente. %a criogenia es el proceso cientfico a tra!"s del cual se congelan obetos u organismos, utilizando comúnmente nitr$geno o elio lquido en su punto de temperatura más baa, alrededor de )0 -L. Al congelarse rápido y a una temperatura e/trema, se e!ita que se deterioren por la acci$n de !irus, bacterias o el ambiente, pudiendo luego recuperarlos sin da5os.
Pr '(* se (s l cri$eni %a criogenia tiene !arios usos, especialmente en el área de la medicina, en donde se le utiliza en cirugas, ya sea para destruir teidos especficos o e!itar emorragias, baando la temperatura en la sangre de forma radical, siendo tambi"n útil en el tratamiento del cáncer . A la utilizaci$n quirúrgica, se le denomina criociruga y se utiliza en áreas como la neurologa, dermatologa, ginecologa e incluso ciruga plástica. %os primeros usos, datan de M0 a5os atrás y se dieron en el campo !eterinario, para luego pasar al cuidado de las personas.
En el área biol$gica, se usa la criogenia para conser!ar embriones para su utilizaci$n posterior, lo mismo ocurre con $!ulos, semen e incluso teidos. %a criogenia tambi"n se utiliza en diferentes áreas de la producci$n, ya que al aplicarla sobre algunos materiales, aumenta su duraci$n y resistencia. E/iste la idea de que, congelando un cuerpo umano a posteridad y de forma inmediata despu"s de su muerte (o usto antes*, podra conser!arse asta que la ciencia encuentre una forma de curar el mal que termin$ con su !ida o, remediar el en!eecimiento prolongado la !ida. E/isten compa5as que ofrecen aplicar el proceso de criogenia sobre los cuerpos a precios muy altos. 'o e/ista ninguna e!idencia cientfica sobre su efecti!idad y, cualquier problema en el proceso de congelaci$n o conser!aci$n, le ara perder utilidad.
Có#$ se plic el pr$ces$ de cri$eni %a criogenia se ace dentro un laboratorio y para ello se utilizan máquinas especiales que con!ierten a elementos en forma de gas como el nitr$geno y elio en lquidos, lo que permite obtener temperaturas basimas de forma muy rápida. Al aplicar el proceso, los especmenes se guardan rápidamente en contenedores especiales que les conser!an a una temperatura apro/imada de )0 -L. -ualquier interrupci$n, puede arruinarlo. Se esperan grandes a!ances en el futuro de la criogenia, ya que ayudara a conser!ar $rganos completos para realizar trasplantes y tambi"n ara lo mismo con especies biol$gicas o !egetales, e!itando su completa e/tinci$n.
4.4.+. Cri$s!!$s %os sistemas criog"nicos son capaces de enfriar asta temperaturas de unos pocos grados Kel!in. %os -riostatos constan de un refrigerador con una entrada y una salida de ;elio gas. Este refrigerador está conectado al deIar que consta de tres etapas. %a primera etapa es el recipiente generalmente construido de acero ino/idable o aluminio. %a segunda etapa es la intermedia o Nradiation sieldN y se encarga de reducir la carga por radiaci$n acia la tercera etapa o etapa fra. E/isten diferentes tipos de -riostatos. -uando se emplean ;e gas, se llaman -riostatos de ciclo cerrado (alcanzan temperaturas inferiores a CK*. 1odos los sistemas criog"nicos de este tipo necesitan un compresor refrigerado por aire o agua. Este suministra ;elio gas de una pureza del .O.
-uando se emplean ;e lquido o 'itr$geno lquido (@@K* se les denomina -riostatos de ciclo abierto.
Rmagen 'L C.C.M. -riostatos
is!e#s de re5rierción cri$*nic$s Sistemas de refrigeraci$n criog"nicos de ciclo cerrado del A2S Ppermiten un sistema para ser enfriado a temperaturas de elio lquido sin el uso de cri$genos. %as únicas erramientas requeridas son la electricidad y agua de refrigeraci$n para el compresor. Estos Sistemas de refrigeraci$n criog"nicos se refieren a !eces como Nel elio libreN. &n t"rmino más preciso sera Nel elio lquido libreN, ya que no utilizan el gas elio, en un circuito cerrado. Este reciclae eficiente del gas elio significa que por lo general s$lo tendrá que a5adir elio una !ez cada pocos a5os. tra !entaa de refrigeraci$n criog"nica de ciclo cerrado del A2S Pes que son impulsados neumáticamente, por lo que tienen muy pocas piezas m$!iles. -omo resultado, son más fáciles de mantener que otros tipos de uso espacial y son un buen auste para baa !ibraci$n configuraciones e/perimentales. >abricamos más de )H modelos diferentes de refrigeraci$n criog"nicos y somos capaces de incorporar modificaciones para acer un sistema encaa la aplicaci$n del cliente. Es esta fle/ibilidad que permite la integraci$n con goni$metros, difract$metros y otras aplicaciones de espacio restringir.
4.4.4. Re5rierd$r El re5rierd$r (tambi"n llamado re5rierd$r , 5ri$r-5ic$, ne6er o 7elder * es uno de los electrodom"sticos más comunes en el mundo. &n refrigerador es un dispositi!o empleado principalmente en cocina y en laboratorio. -onsiste en un armario aislado t"rmicamente, con un compartimento principal en el que se mantiene una temperatura de entre H y F G- y tambi"n, frecuentemente, un compartimento e/tra utilizado para congelaci$n a Q)? G- y llamado, apropiadamente, congelador .
El fro se produce mediante un sistema de refrigeraci$n por compresi$n, alimentado por corriente el"ctrica y, a !eces, por un sistema de absorci$n usando como combustible queroseno o gas butano.
Rmagen 'L C.C.C. 2efrigeradores
Se conoce como refrigeraci$n, generalmente, el enfriamiento de un cuerpo por transferencia de calor . Algunas aplicaciones tpicas son la conser!aci$n, en particular de alimentos, y tambi"n el enfriamiento de bebidas para acer su consumo más agradable.
El t"rmino más antiguo de los citados arriba, es el de ne!era que, en tiempos pasados, era un armario, a menudo de madera, aislado con corco, en el que se pona nie!e procedente de pozos de nie!e, antes de la in!enci$n de los sistemas de refrigeraci$n mecánicaD cuando se in!entaron estos, y toda!a no aba llegado el refrigerador el"ctrico a las casas, se pona ielo procedente de fábricas de ielo. Aunque actualmente no se usa la nie!e, como la funci$n de los antiguos y de los modernos es la misma, se sigue empleando el t"rmino.
8elder, que !iene de cuando se utilizaba ielo (análogamente a cuando se llamaba ne!era*, es un t"rmino que puede resultar ambiguo, pues con ese nombre tambi"n se conoce la 7eld$r o máquina de fabricar elados, y lo mismo ocurre con re5rierd$r (y en menor medida re5rierd$r *, que tambi"n se emplea para las máquinas grandes de producci$n de fro para refrigeraci$n ambiental ( climatizaci$n*.
El t"rmino 5ri$r-5ic$ (que ace, que fabrica, froT* parece el más apropiado, pero tambi"n puede resultar ambiguo en ciertas regiones ispanoparlantes, ya que en estas zonas, con la dica palabra se denomina solo a los establecimientos dedicados al procesado de determinados alimentos (frigorficos de carnes o de frutas, por eemploD en realidad, una simplificaci$n de establecimientos o almacenes frigorficos *.
En cualquier caso, todos los t"rminos arriba mencionados son correctos y solamente difieren en la preferencia de uso de cada regi$n. . %a funci$n de una máquina de refrigeraci$n es tomar el calor de un ambiente a baa temperatura (en este caso un armario cerrado y aislado t"rmicamente* y cederlo en el ambiente e/terior (para el refrigerador dom"stico sera la cocina*, empleando una fuente de energa e/terna para mantener el proceso. &n refrigerador es una bomba de calor (como las de agua, bombea calor de un lugar a bao ni!el t"rmico a otro de mayor ni!el*, impulsada generalmente por un motor el"ctrico. Es asimismo posible emplear sales eut"cticas o absorci$n.
#ara que la eficiencia sea mayor, la diferencia de temperatura entre el condensador, (que contiene el calor absorbido por el refrigerante en el e!aporador* y el aire ambiente debe ser má/ima, ya que es en este lugar donde el calor sale del aparato. #or este moti!o son más eficientes en in!ierno que en !erano y en cualquier "poca, su consumo es menor si se sitúa en un lugar fresco. Asimismo debe procurarse que el intercambiador de calor e/terno (o condensador*, que suele estar en la parte trasera del aparato, tenga una buena !entilaci$n.
1ambi"n son más eficientes y, por lo tanto consumen menos, los aparatos que disponen de dos compresores, uno para cada compartimento (refrigeraci$n y congelaci$n*.
Efecti!amente, si se está abriendo constantemente la puerta del refrigerador (mientras se prepara la comida*, se pondrá en marca solamente uno de los dos compresores, sin a5adir fro, que no ace falta, al compartimento congelador.
&no de los pioneros del refrigerador fue -arles 1ellier , que en )?F@ in!ent$ un dispositi!o destinado a fabricar ielo. Entre )?F? y )?F se centr$ en el análisis del fro industrial y sus aplicaciones. #ronto se dedic$ a la fabricaci$n de aparatos frigorficos para la conser!aci$n de los alimentos. Rntroduo el "ter dimetlico y la trimetilamina en la industria, y en )?@F consigui$ construir el primer frigorfico plenamente funcional. F Ese mismo a5o acondicion$ un buque para transportar carne refrigerada. 9e esta manera se lle!$ a cabo el primer transporte a larga distancia entre Argentina y Europa (concretamente entre 8uenos Aires y la ciudad francesa de 2uan en franc"s, 2ouen*, permitiendo que se pudiera consumir carne suramericana en Europa, cosa que antes ubiera sido impensable. -on esto dio comienzo un intenso tráfico de carne entre Europa y Am"rica.
A pesar de la importancia de su in!ento, 1ellier se mostr$ carente del espritu empresarial necesario para e/plotarlo comercialmente. 2ecibi$ onores, sobre todo en &ruguay y Argentina (grandes beneficiarios del in!ento, que les permita e/portar carne a Europa*, donde se abrieron colectas para intentar ayudar a 1ellier. -on todo, falleci$ en #ars casi en la miseria. Además de su in!ento leg$ una importante obra, titulada ;istoria de una in!enci$n moderna: el frigorfico (#ars, ))0*.
%os refrigeradores dom"sticos pueden tener un solo compartimento, que puede ser de congelaci$n, o bien dos. %os frigorficos con dos compartimentos fueron comercializados por primera !ez por
%a capacidad del refrigerador se acostumbra a medir en litros.
%as posibilidades de los refrigeradores más recientes se an ampliado notablementeD pueden tener: •
•
•
&na pantalla de cristal lquido que sugiere qu" tipos de comida deberan almacenarse a qu" temperaturas y la feca de caducidad de los productos almacenados. Rndicador de las condiciones del filtro que a!isa cuando llega el momento de cambiarlo. &na ad!ertencia de apag$n, alertando al usuario sobre la ocurrencia del mismo, usualmente al parpadear la pantalla que muestra la temperatura. #uede mostrar la temperatura má/ima alcanzada durante el apag$n (al no aber refrigeraci$n por falta de energa el"ctrica*, unto con informaci$n sobre si la comida congelada se descongel$ o si ay posibilidad de que como resultado de la interrupci$n de la refrigeraci$n pueda albergar bacterias da5inas.
4.4.9. Cri$cir(- $ cri$!erpi ,(* es l cri$cir(- $ cri$!erpi; Es un procedimiento de destrucci$n de teidos mediante el uso de una sustancia a temperatura de congelaci$n.
Có#$ 5(nci$n el pr$cedi#ien!$ " có#$ se reli<;
%a muerte celular se da por la con!ersi$n del agua celular en ielo. E/isten distintos cri$genos, siendo el más empleado el nitr$geno lquido porque logra la menor temperatura en el teido. Se pueden emplear distintas t"cnicas de aplicaci$n: por rociado o spray, con aplicador (por eemplo, isopo* y de contacto con punta cerrada.
C(%les s$n l(n$s (s$s c$#(nes del pr$cedi#ien!$;
Se pueden tratar tanto lesiones benignas como malignas. Se utiliza para tratamiento de lesiones benignas como !errugas, queratosis seborreicas. premalignas, como
queratosis actnicas y malignas (algunas formas de carcinomas cutáneos, no melanomas*.
,(e e=peri#en!r% el pcien!e d(rn!e " desp(*s del pr$cedi#ien!$;
Se produce dolor (má/imo en los primeros minutos posteriores a la congelaci$n*D edema (incaz$n* y la formaci$n de una ampolla. %uego se forma una costra o escara y cicatriza entre H a C semanas despu"s (dependerá del tipo de lesi$n tratada*. #uede quedar una tipocroma residual (manca más clara que el resto de la piel*.
e (s nes!esi; Es un procedimiento bien tolerado en general, por lo que en pocos casos se necesita anestesiar la zona antes del tratamiento.
C(%les s$n l$s )ene5ici$s " l$s ries$s; Se puede emplear prácticamente en cualquier grupo etáreo (por eemplo, en ancianos que no pudieran afrontar una ciruga*, con trastornos emorragparos o anticoagulados, con marcapasos y en aquellos pacientes que no quieran ser inter!enidos quirúrgicamente. Es una práctica de consultorio, que no requiere un ambiente est"ril como un quir$fano, y permite al paciente reintegrarse a su acti!idad en forma inmediata.
C(%les s$n ls li#i!ci$nes de l cri$cir(-;
&na limitaci$n de la criociruga es que destruye la lesi$n a tratar y no permite el estudio del teido destruido (es decir que no permite acer la biopsia de la lesi$n*. #or ello, cuando se emplea se debe !alorar: %a seguridad en el diagn$stico clnico, que no necesite una biopsia,
Si es una lesi$n maligna con una confirmaci$n istol$gica pre!ia, debe ser una lesi$n de bao riesgo (por su localizaci$n, su tama5o, la agresi!idad istol$gica, etc.*. #or eemplo, no puede tratarse un tumor maligno localizado en el borde del párpado, porque es probable que no lo destruya completamente y al continuar su crecimiento in!ada en profundidad. Esto será decidido por el dermat$logo que realice el procedimiento, que debe saber cuál lesi$n podrá ser tratada con criociruga y cuál requerirá otra terap"utica para no e/poner al paciente a un riesgo de recurrencia o persistencia de la lesi$n.
4.4.>. Cli# p$lr
El cli# p$lr o *lid$ se caracteriza por tener casi permanentemente temperaturas por debao de 0 G-D y escasas precipitaciones. %a umedad en el aire es ine/istente y el !iento suele ser bastante intenso, ) lo que ace aún más ostiles las condiciones de !ida en este clima.
El clima polar se da principalmente en los dos polos, alcanzando unas condiciones más se!eras en la Antártida, puesto que al tratarse de un continente, las temperaturas son más fras que las del #olo 'orte, llegando a alcanzar los @0, ?0 y asta ?,G- (r"cord en la superficie de %a 1ierra*. El clima de las zonas más altas de las principales cordilleras del planeta se asemean muco al polar, pudi"ndose dar en las cumbres del ;imalaya, de los Andes o de las monta5as de AlasJa.
%os medios naturales de la zona fra o medios polares se localizan entre el -rculo #olar Urtico y el #olo 'orte y entre el -rculo #olar Antártico y el #olo Sur D es decir: entre los F y los 0G de latitud norte y sur.
Cli#s 5r-$s V Cli# c$n!inen!l 5r-$ (norte y noreste de Europa, sur y centro de Siberia, -anadá, y AlasJa*. V Cli# p$lr (en el Urtico y en la Antártida*. V Cli# de #$n!? (zonas monta5osas de más de M00 msnm cerca del Ecuador, asta )000 msnm en regiones fras*.
;ay dos zonas fras, una en el emisferio norte y otra en el emisferio sur. %a primera está situada al norte del crculo polar ártico y la segunda al sur del crculo polar antártico. En los polos las temperaturas son muy baas porque los rayos solares llegan muy inclinados respecto a la superficie terrestre. El clima polar está caracterizado por tener casi permanentemente temperaturas por debao de 0 G-D y las precipitaciones son muy escasas. %a umedad relati!a en el aire es muy baa y el !iento suele ser bastante intenso, lo que ace aún más ostiles las condiciones de !ida en este clima. El clima polar se da principalmente en los dos polos, alcanzando unas condiciones más se!eras en la Antártida, puesto que al tratarse de un continente, las temperaturas son más fras que las del #olo 'orte, llegando a alcanzar los @0, ?0 y asta ?,G- (r"cord en la superficie de %a 1ierra*. El clima de las zonas más altas de las principales cordilleras del planeta se asemean muco al polar, pudi"ndose dar en las cumbres del ;imalaya, de los Andes o de las monta5as de AlasJa. %os medios naturales de la zona fra o medios polares se localizan entre los crculos polares Urtico y Antártico y los correspondientes polos norte y sur, entre los FG y los 0G de latitud norte y sur. Además, el clima polar se subdi!ide en tundra y en ielo o glacial.
•
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T(ndr: presenta una !egetaci$n baa que !a desapareciendo con la presencia de los primeros ielos. 1odas las tierras muy pr$/imas a los crculos polares tienen este clima. 8iel$ $ @lcil: es el correspondiente a alturas mayores de los C.@00 metros. Su temperatura es siempre bao 0 grados. %as cumbres ne!adas de todos los Andes, de las -adenas monta5osas de Europa, Ufrica y Asia con cumbres ne!adas, están enmarcadas en este clima.
En l An!%r!id En la meseta interior del continente Antártico se registra un fuerte contraste t"rmico entre los meses de sol alto y los de noce polar. #or eemplo, en la estaci$n #olo Sur estos !alores oscilan entre H? G- en el !erano austral y F0 G- en el in!ierno austral. %a precipitaci$n es muy en escasa y difcil de medir, considerando que generalmente cae en forma de nie!e en un ambiente muy !entoso. En la #ennsula Antártica las condiciones t"rmicas no son tan e/tremas, y la precipitaci$n anual es considerablemente mayor por efecto del paso de sistemas frontales. Su lado occidental se caracteriza por un clima martimo, y en su borde oriental predomina un clima continental relati!amente más fro, donde el ielo cubre el oc"ano todo el a5o.
4.4.. El 5r-$ pr$5(nd$ 2egresemos a la 1ierra, ya que las baas temperaturas e/isten s$lo aqu, y !eremos c$mo se logra obtenerlas. Esto ocurre en dos etapas. %a primera es la licuaci$n del elio, cuya temperatura de ebullici$n a presi$n normal (de @F0 mm ;g* es igual a C,H K. En nuestros tiempos los cientficos tienen a su disposici$n la cantidad necesaria de elio lquido y parten de dica temperatura ya bastante baa. W'o es !erdad que tal situaci$n recuerda el asalto al E!erest: un grupo grande de serpas transporta al pie de la monta5a todo lo necesario para tos alpinistas, que, aorrando fuerzas en la etapa preliminar, solamente desde aqu empiezan la conquista de la cumbre. #ero nosotros mostraremos no s$lo el 6asalto7, sino tambi"n el 6sendero de los serpas7, ya que "ste no es tan sencillo y pocos son los que pueden recorrerlo, además, ace aún muy poco tiempo, pasar por "l por primera !ez era un obeti!o ele!ado. 2ecordemos que el elio lquido fue obtenido por Kamerling nnes en )0?,@ a5os atrás, y este suceso a sido un gran logro de la ciencia. Xeámos c$mo la t"cnica realiza el paso de la temperatura ambiente a la temperatura del elio lquido. %a t"cnica de refrigeraci$n a recibido un gran desarrollo en la actualidad. Es suficiente recordar, por lo menos, que la industria produce millones de refrigeradores dom"sticos. W'o se podrá utilizar una instalaci$n semeante para la licuaci$n del elioY #ara esto tenemos que recordar c$mo trabaa el refrigerador. El tipo más común de tales máquinas funciona as (fig. C. 4.7.*: un compresor comprime el gas de trabao asta una presi$n de !arias atm$sferas. Bientras trabaa el compresor, el gas se calienta considerablemente y es necesario enfriarlo asta temperatura ambiente en un radiador especial donde, continuando enfriándose, pasa al estado lquido. Este lquido es conducido por un tubo capilar a la cámara frigorfica donde ese tubo desemboca en un tubo anco, de tal manera que la presi$n sobre el liquido disminuye bruscamente. Este empieza a e!aporarse de un modo intenso, los !apores son bombeados por el propio compresor, y el ciclo se cierra. El enfriamiento se produce gracias a la e!aporaci$n, ya que ese proceso transcurre con absorci$n de calor. 9e este esquema se deduce que no cualquier gas sir!e para el trabao en un refrigerador. %o principal que se e/ige de "l que debe licuarse a presi$n moderada ya a la temperatura ambiente. Bucas sustancias poseen esta propiedad, por eemplo, el fre$n)H que, generalmente, se utiliza en la t"cnica y cuya f$rmula qumica es ->-)H. Z si, por eemplo, comprimimos e* elio más fuertemente, Wtambi"n se !ol!erá lquido a temperatura ambienteY 9esgraciadamente, no. 2ecordemos que para cualquier sustancia e/iste una temperatura crtica 1c por encima de la cual la fase lquida no e/iste. #ara el elio @ + ,H K, y mientras no lo enfriemos a una temperatura menor que "sta, el refrigerador, basado en el principio de e!aporaci$n, no trabaará. W'o se podrá, entonces, utilizar el refrigerador por e!aporaci$n aunque sea para un enfriamiento preliminarY %a temperatura que con "l obtiene será tanto más baa cuanto menor sea la presi$n del !apor sobre el lquido (o sobre el cuerpo s$lido*. #ero, por desgracia, la presi$n del !apor saturado de todas las sustancias disminuye rápidamente
al baar la temperatura. %a ley de 8oltzmann nos sugiere que #sat / e!a J1, donde qe!ap es el calor de e!aporaci$n correspondiente a una mol"cula, o sea, la energa que es necesario comunicarle a "sta para que pase del estado lquido energ"ticamente !entaoso al estado de !apor. El destino de cualquier refrigerador es absorber calor del obeto que se enfra y compensar el fluo parásito de calor ine!itable. #or eso, el rendimiento del refrigerador no debe ser demasiado peque5o. En nuestro caso es igual al calor de e!aporaci$n multiplicado por la cantidad de sustancia de trabao bombeada por unidad de tiempo. #ero si la presi$n del gas es baa, no se podrá bombear muca sustancia y, por consiguiente, la eficacia del refrigerador disminuirá como el !apor -omo e!ap tiene el mismo orden de magnitud que J1c, por lo !isto será muy difcil obtener un !alor muco inferior a 1c. #ues no importa, eso aún no es una catástrofe. Se puede intentar elegir otra sustancia para el refrigerador, tal que "ste empiece a trabaar desde el ni!el de temperatura alcanzado por el primer refrigerador, y con su ayuda obtener una temperatura más baa. Z as sucesi!amente. En tal refrigerador en cascada (fig. C.H* se pueden, por eemplo, utilizar las siguientes sustancias: amonaco ';M (asta [HM0 K*,eti*eno-H;C()@M K*,metano-;C\))H K*y nitr$geno 'H (FM K*. Es un gran triunfo: ]pues as se puede licuar el aire^ Es cierto que para esto e/isten soluciones t"cnicas más eficientes, pero, sin profundizar en este tema, podemos considerar que la obtenci$n de aire lquido ya no es un problema. #ero más adelante la cadena se rompe. %a temperatura crtica del idr$geno, que podra ser el siguiente eslab$n, constituye solamente MM K. Bas tampoco este gas sal!ara la situaci$n: absorbiendo los !apores de idr$geno es posible obtener tan s$lo )C K, lo cual aún se encuentra por encima de la temperatura crtica del elio, #or lo tanto, es necesario buscar otro m"todo de enfriamiento. 1al m"todo e/iste y es e/traordinariamente sencillo. 2esulta que para eso basta con que el gas comprimido se e/pansione deándolo pasar por un orificio estreco, o sea, por una !ál!ula de estrangulaci$n en cuyo canal, gracias al rozamiento, la !elocidad del fluo se reduce a cero. El eco de que en el referido proceso, llamado proceso de oule 1omson, el gas se enfra, no es e!idente ni muco menos. #or eemplo, para un gas ideal, en este caso no ocurre ningún cambio de temperatura en general_). Sin embargo, cuando los parámetros de un gas son pr$/imos a los parámetros crticos, comienza a manifestarse su calidad de gas no ideal, lo cual se debe a la atracci$n mutua de las mol"culas.
>R<. C.C.@. Esquema de un refrigerador dom"stico: ) compresor, H, radiadorD M r cámara frigorfica !aporizadora, !ál!ulas.
4.4.B. (per5l(ide< %leg$ el momento de dedicarse al asunto acerca de lo que ocurre con el elio a temperaturas más baas de H,)@ K, o sea, cuando ese gas cesa de er!ir. 'o se sabe si Kamerling nnes prest$ atenci$n a tal fen$meno, ya que de eso "l no escribi$ nada en sus trabaos. #ero, a pesar de todo, fue el primero quien indic$ que a dica temperatura las propiedades del elio poseen una singularidad. 1ras obtener elio lquido, Kamerling nnes se dedic$ a la medici$n de sus parámetros y, en primer lugar, a la determinaci$n de su densidad a temperaturas diferentes, El e/perimento lo realiz$ unto con su colega 8oJs. El mismo consista en lo siguiente. En un !aso 9eIar con elio lquido se sumerga un peque5o recipiente de !idrioprobeta graduada de !olumen conocido, en cuya parte superior se allaba soldado un tubo de !idrio graduado, de diámetro determinado (fig. F.)*. AR referido recipiente fue soldado un tubo metálico capilar, el cual, a tra!"s de la tapa que cerraba erm"ticamente el !aso 9eIar, sala al medio ambiente. All fue conectado a otro recipiente de !olumen establecido, el cual se llenaba de elio gaseoso. Su presi$n se meda con un man$metro. %a cantidad total de elio contenido en el sistema de medici$n se determinaba antes del e/perimento, a base de la presi$n, el !olumen y la temperatura magnitudes ya conocidas !ali"ndose de la f$rmula de Bendel"e! -lapeyron. 9urante el enfriamiento, parte del elio se condensaba en la probeta y, según la posici$n del menisco en el tubo capilar, se poda determinar el !olumen del lquido. -on arreglo a la presi$n en el !olumen que quedaba a temperatura ambiente, se determinaba la cantidad de elio que no se condensaba. Es e!idente que estos datos eran suficientes para calcular la densidad del lquido. E/trayendo con una bomba los !apores de elio del !aso 9eIar, se poda !ariar la temperatura del lquido y medir la dependencia p (@T* representada en la ftg, F.H. El má/imo a temperatura 1/H,H K_` intrig$ a los in!estigadores. Eso indicaba claramente la e/istencia de cierto cambio cualitati!o que ocurra en el elio a esta temperatura. El eco es que cualquier alteraci$n de la monotona de !ariaci$n de las magnitudes fsicas en funci$n de la temperatura, obligatoriamente está relacionada con el cambio irregular de la estructura de la sustancia, o sea, con la transici$n de fase. #or eemplo, puede ser la transici$n !apor liquido, lquidos$lido, ctc.
>R<. C.C.?. Esquema de una instalaci$n para medir la densidad del elio lquido: )!olumen de medici$nD H. !aso 9eIar con elio lquidoD M recipiente de !olumen conocidoD C, ba5o con ielo en estado de fusi$n: . man$metro de mercurio.
4.4.. 8eli$ l-'(id$ " sólid$ En cuanto a disposici$n de los fsicos apareci$ el elio lquido, ellos comenzaron a estudiar sus propiedades y en seguida tropezaron con el eco de que "ste no se parece a ningún otro lquido. #ara aclarar en qu" consiste esa diferencia, primero es necesario recordar qu" propiedades generales poseen los lquidos. #or lo !isto, Kamerling nnes esperaba que eso mismo ocurrira con el elio, cuando por primera !ez en el mundo comenz$ a e/traer los !apores del nue!o lquido obtenido por "l. #odemos describir e/actamente lo que apareci$ ante sus oos, ya que ese mismo cuadro desde entonces lo an !isto centenares de !eces todos los in!estigadores que trabaan con elio lquido. #ues bien, al principio la presi$n de los !apores es igual a la presi$n atmosf"rica, la temperatura constituye C,H K, y el lquido ier!e tranquilamente, ya que, gracias a la radiaci$n suministrada, surge ine!itablemente calor. Se obser!an mucas burbuas peque5as que se separan de las paredes y se acumulan en la superficie. Al comenzar la e/tracci$n de !apor la ebullici$n se ace más intensa, ya que aora, unto con el !apor se e!acúa la energa relacionada con la capacidad t"rmica del lquido. 9e pronto, a la presi$n de C0 mm ;g (y a la temperatura de H,)@ K* la ebullici$n cesa instantáneamente, todas las burbuas desaparecen y el elio se !uel!e completamente transparente. Algo a ocurrido, pero el mismo se mantiene lquido. Se !e bien su superficie libre y el menisco en la pared. Si sacudimos el aparato, el elio comienza a ondularse y no se tranquiliza durante muco tiempo. -ontinuemos la e/tracci$n de !apor. Kamerling nnes, en sus primeros e/perimentos logr$ alcanzar la temperatura de ),C K, y dentro de diez a5os y pico, la de 0,? K, o sea, siete !eces más baa que la temperatura crtica, pero el elio segua siendo lquido. Sin embargo, para el idr$geno, por eemplo, el punto triple se manifiesta a )C K, y la temperatura crtica, a O MM K, es decir, la diferencia constituye un poco más del doble. Aora los cientficos ya an llegado a alcanzar mil"simos de grado Kel!in, y el cuadro se mantiene igual, y no cabe la menor duda que incluso asta el cero absoluto el lquido limita con los !apores de elio. #or consiguiente, ]el elio no tiene punto triple^ Es la única sustancia que posee tal propiedad.
#recisamente para que se pueda realizar la e/tracci$n de !apor, el criostato mostrado en la fig. C.F, b se alla cerrado erm"ticamente con una tapa de !aco, y al tubo lateral se conecta una manguera acia la bomba. #odemos (razar la linea !aporlquido (fig. ,H* e indicar en ella un punto singular, en el que ces$ la ebullici$n a H,)@ K. As pues, se puede decir que dos fen$menos e/cepcionales se !en, en efecto, a simple !ista. #ero es necesario entender por qu" el elio de$ de er!ir y por qu" no se !uel!e s$lido, &tilizando la ley de la mecánica cuántica, conocida con el nombre de 6principio de ncertidumbre7, es posible e/plicar por qu" el elio no se endurece. Rntentaremos e/plicar qu" significa eso, a partir de lo que sabemos del micro mundo. &na de las principales caractersticas de cualquier cuerpo es su tama5o. El del átomo puede ser medido por mucos m"todos. &no de ellos se basa en el estudio de la dispersi$n de unos átomos en otros]recuerden c$mo 2uterford meda las dimensiones de los átomos^ Solamente que en este caso la t"cnica es muco más sencilla, ya que, gracias al mo!imiento t"rmico, los átomos en cualquier gas cocan e 6informan7 unos a otros acerca de sus diámetros. #or eso, midiendo, por eemplo, la !elocidad de difusi$n es posible calcular las dimensiones de los átomos. 'o detallaremos la esencia de tales mediciones, pero tomaremos de un manual los datos que nos interesan y los apuntaremos en una tabla. Xemos que los diámetros de los átomos se diferencian, aunque no demasiado, unos de otros. Además es e!idente que la !ariaci$n de las dimensiones no está relacionada directamente ni con el número de electrones ni con la masa at$mica. -ualquier átomo consta de un núcleo muy peque5o y de electrones que se mue!en alrededor de "ste. %os electrones en su mo!imiento forman una especie de nube en el !olumen del átomo, y son precisamente ellos los que determinan su diámetro. -uanto mayor es el átomo, tanto más aleados del núcleo, por t"rmino medio, se encuentran los electrones. Se puede estimar que cuanto más leos del centro se alle el electr$n, menos energa es necesario agregar para separarlo del átomo. Este proceso, llamado ionizaci$n, está bien estudiado. Es absolutamente análogo al efecto fotoel"ctrico y, al igual que el umbral de dico efecto, el umbral de ionizaci$n E] puede ser medido al aparecer corriente el"ctrica a tra!"s de un gas iluminado por una luz !isible o una luz ultra!ioleta.
