Comportamiento de la materia en el cero absoluto

[Ricardo G. Silveira]

[FONT=Times New Roman]De los estados de la materia (solido, liquido, gaseoso y plasma) hay uno que me impresiono mucho, que es en situaciones extremas de baja energia, cercanas al cero absoluto. Dicen que se llama estado fundamental ([/FONT][FONT=Times New Roman]estado cuántico[/FONT][FONT=Times New Roman] de menor [/FONT][FONT=Times New Roman]energía[/FONT][FONT=Times New Roman]). ¿Cual seria el comportamiento de un atomo o elemento quimico en el cero absoluto?[/FONT]

[FONT=Times New Roman]Claro yo se que en ninguna region del Universo existe el cero absoluto, porque según el fondo de radiación de microondas es de 2.7 grados kelvin en todas las direcciones que se observe el Universo.[/FONT]

[FONT=Times New Roman]Cuando lei que un experimento que se hizo en el laboratorio logro, por escaso tiempo, el cero absoluto, entonces la velocidad de la luz seria extremadamente lenta de ir de un punto a un punto b. Es decir, pareciera que la velocidad de la luz no es una constante absoluta como lo afirma la Teoria de la Relatividad Especial. [/FONT]

[FONT=Times New Roman]Saludos RS[/FONT]

[pod]

Re: Comportamiento de la materia en el cero absoluto

[FONT=Times New Roman]De los estados de la materia (solido, liquido, gaseoso y plasma) hay uno que me impresiono mucho, que es en situaciones extremas de baja energia, cercanas al cero absoluto. Dicen que se llama estado fundamental ([/FONT][FONT=Times New Roman]estado cuántico[/FONT][FONT=Times New Roman] de menor [/FONT][FONT=Times New Roman]energía[/FONT][FONT=Times New Roman]). ¿Cual seria el comportamiento de un atomo o elemento quimico en el cero absoluto?

La temperatura es una medida de la energía cinética media de un conjunto de partículas. Por lo tanto, no tiene sentido hablar de la temperatura si no hay una cantidad estadísticamente suficiente de partículas; no se puede hablar "cual es la temperatura de un átomo"

Supongo que lo que estás hablando es de experimentos estilo condensación de Bose-Einstein. Esto sólo ocurre con partículas de spin enteros (bosones), y ocurre que todas las partículas pasan al estado fundamental, sin ninguna partícula en estado excitado. En fermiones este fenómeno es posible formando pares de Coper (dos fermiones juntos forman un bosón).
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[FONT=Times New Roman]Claro yo se que en ninguna region del Universo existe el cero absoluto, porque según el fondo de radiación de microondas es de 2.7 grados kelvin en todas las direcciones que se observe el Universo.

La temperatura del fondo de radiación está desacoplada con la temperatura de la materia. La temperatura de la materia es mucho mayor; sin ir más lejos piensa en la temperatura de las estrellas Y en el espacio interestelar, aunque parezca mentira, la temperatura es increíblemente alta: las poquísimas partículas con masa que hay, una por metro cúbico más o menos, se mueven muy deprisa (tienen mucha energía cinética), por lo que la temperatura es muy alta.
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[FONT=Times New Roman]Cuando lei que un experimento que se hizo en el laboratorio logro, por escaso tiempo, el cero absoluto, entonces la velocidad de la luz seria extremadamente lenta de ir de un punto a un punto b. Es decir, pareciera que la velocidad de la luz no es una constante absoluta como lo afirma la Teoria de la Relatividad Especial.

Eso no funciona así. La velocidad de la luz es constante en el vacío. Cuando la luz pasa dentro de un material, la interacción del material hace que se ralentice. [/FONT]Sin irse a experimentos complejos, la velocidad de la luz en agua es sólo el 75% de la máxima. Por lo tanto, ese experimento que mencionas no viola nada de la relatividad... pero sigue siendo muy interesante, el material prácticamente atrapó la luz, y cuando la temperatura aumentó, la luz logró salir tal cual; quedó como congelada.

[Ricardo G. Silveira]

Re: Comportamiento de la materia en el cero absoluto

La temperatura es una medida de la energía cinética media de un conjunto de partículas. Por lo tanto, no tiene sentido hablar de la temperatura si no hay una cantidad estadísticamente suficiente de partículas; no se puede hablar "cual es la temperatura de un átomo"

Supongo que lo que estás hablando es de experimentos estilo condensación de Bose-Einstein. Esto sólo ocurre con partículas de spin enteros (bosones), y ocurre que todas las partículas pasan al estado fundamental, sin ninguna partícula en estado excitado. En fermiones este fenómeno es posible formando pares de Coper (dos fermiones juntos forman un bosón).
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La temperatura del fondo de radiación está desacoplada con la temperatura de la materia. La temperatura de la materia es mucho mayor; sin ir más lejos piensa en la temperatura de las estrellas Y en el espacio interestelar, aunque parezca mentira, la temperatura es increíblemente alta: las poquísimas partículas con masa que hay, una por metro cúbico más o menos, se mueven muy deprisa (tienen mucha energía cinética), por lo que la temperatura es muy alta.
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Eso no funciona así. La velocidad de la luz es constante en el vacío. Cuando la luz pasa dentro de un material, la interacción del material hace que se ralentice. [/FONT][/SIZE]Sin irse a experimentos complejos, la velocidad de la luz en agua es sólo el 75% de la máxima. Por lo tanto, ese experimento que mencionas no viola nada de la relatividad... pero sigue siendo muy interesante, el material prácticamente atrapó la luz, y cuando la temperatura aumentó, la luz logró salir tal cual; quedó como congelada.

Le agradezco mucho a pod, por la aclaratoria ante los planteamientos que hizè. Tenìa dudas con lo del 0 absoluto, pero quedaron muy bien explicadas todas las interrogantes que tenìa al respecto. Soy un autodidacta y aficionado a la Fìsica y este web site es muy bueno porque permite aprender y preguntar temas de mucho interes para la Ciencia. Lo felicito por haber desarrollado este sitio de encuentro para todos los amantes de la Fìsica

Saludos amigo pod, RS

[_FoX_]

Re: Comportamiento de la materia en el cero absoluto

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[nicco]

Re: Comportamiento de la materia en el cero absoluto

También llegamos a un principio fundamental de la naturaleza cuando hablamos del cero absoluto, el principio de incertidumbre de Heisemberg; aun en el cero absoluto, las partículas no paran de vibrar (si lo hicieran, adiós principio de incertidumbre, adiós universo que conocemos, colapsaríamos jeje), la naturaleza nunca está "congelada" del todo, qué cosas...

Saludos

[Dramey]

Re: Comportamiento de la materia en el cero absoluto

No olvidemos que no se puede llegar al cero absoluto sin contravenir el 2º principio de la termodinámica, ya que con un foco a 0k podríamos consturir una máquina con rendimiento 1

[pod]

Re: Comportamiento de la materia en el cero absoluto

No olvidemos que no se puede llegar al cero absoluto sin contravenir el 2º principio de la termodinámica, ya que con un foco a 0k podríamos consturir una máquina con rendimiento 1

De hecho, que no se pueda llegar a 0K es directamente el tercer principio de la termodinámica

[Dramey]

Re: Comportamiento de la materia en el cero absoluto

De hecho, que no se pueda llegar a 0K es directamente el tercer principio de la termodinámica

Depende de la versión de quien lo cuente, como si el 0 es natural o no

[nicco]

Re: Comportamiento de la materia en el cero absoluto

No olvidemos que no se puede llegar al cero absoluto sin contravenir el 2º principio de la termodinámica, ya que con un foco a 0k podríamos consturir una máquina con rendimiento 1

En realidad yo creo que todo son caras de la misma moneda, la termodinámica desde el punto de vista clásico y macroscópico, y la física estadística desde el punto de vista microscópico, al final las dos llegan a la misma conclusión: no se puede llegar al cero absoluto. Lo que ocurre es que la termodinámica está tan establecida y tiene una solidez experimental tan grande, que si, desde el punto de vista cuántico llegáramos a la conclusión de que sí puede existir un sistema de partículas en el cero absoluto, seguramente mandaríamos la física cuántica a la mierda.

[carroza]

Re: Comportamiento de la materia en el cero absoluto

En realidad yo creo que todo son caras de la misma moneda, la termodinámica desde el punto de vista clásico y macroscópico, y la física estadística desde el punto de vista microscópico, al final las dos llegan a la misma conclusión: no se puede llegar al cero absoluto. Lo que ocurre es que la termodinámica está tan establecida y tiene una solidez experimental tan grande, que si, desde el punto de vista cuántico llegáramos a la conclusión de que sí puede existir un sistema de partículas en el cero absoluto, seguramente mandaríamos la física cuántica a la mierda.

Dejadme que haga de abogado del diablo.

En mecánica cuántica es perfectamente posible, y muy frecuente en los cálculos, tener un sistema en el cero absoluto. Un átomo, del que sabemos con certidumbre que está en su estado fundamental, tiene una temperatuta T=0. Un atomo con temperatura no nula esta en una mezcla estadistica de todos los posibles estados excitados, pesados con el factor de Maxwell-Boltzmann
$exp(-(E_x-E_0)/kT)$.

Asi que respondiendo a Ricardo, un atomo con T=0 es un atomo en su estado fundamental. Ni mas ni menos.

[nicco]

Re: Comportamiento de la materia en el cero absoluto

Dejadme que haga de abogado del diablo.

En mecánica cuántica es perfectamente posible, y muy frecuente en los cálculos, tener un sistema en el cero absoluto. Un átomo, del que sabemos con certidumbre que está en su estado fundamental, tiene una temperatuta T=0. Un atomo con temperatura no nula esta en una mezcla estadistica de todos los posibles estados excitados, pesados con el factor de Maxwell-Boltzmann
$exp(-(E_x-E_0)/kT)$.

Asi que respondiendo a Ricardo, un atomo con T=0 es un atomo en su estado fundamental. Ni mas ni menos.

Tienes razón, mi comentario está mal expresado, lo que quería decir es que no se puede tener una partícula en reposo absoluto, que incluso a T=0, no es posible que la partícula esté totalmente quieta, lo que no implica que no esté a T=0. De todas formas, creo que es cuestión del concepto de temperatura que se tiene. Clásicamente siempre se asocia temperatura con grado de movimiento o agitación de un sistema de partículas. Si tienes una partícula a T=0 desde el punto de vista cuántico (en su estado fundamental), choca con el concepto intuitivo que tenemos de temperatura, ya que esa partícula a T=0 sigue vibrando.

Saludos

[pod]

Re: Comportamiento de la materia en el cero absoluto

Dejadme que haga de abogado del diablo.

En mecánica cuántica es perfectamente posible, y muy frecuente en los cálculos, tener un sistema en el cero absoluto. Un átomo, del que sabemos con certidumbre que está en su estado fundamental, tiene una temperatuta T=0. Un atomo con temperatura no nula esta en una mezcla estadistica de todos los posibles estados excitados, pesados con el factor de Maxwell-Boltzmann
$exp(-(E_x-E_0)/kT)$.

Asi que respondiendo a Ricardo, un atomo con T=0 es un atomo en su estado fundamental. Ni mas ni menos.

Permíteme que haga de abogado del diablo del abogado del diablo

¿Y si el estado fundamental está degenerado?

¿Realmente tiene sentido hablar de la temperatura de un átomo?

[nicco]

Re: Comportamiento de la materia en el cero absoluto

Permíteme que haga de abogado del diablo del abogado del diablo

¿Y si el estado fundamental está degenerado?

¿Realmente tiene sentido hablar de la temperatura de un átomo?

Si el estado fundamental está degenerado, ya no hay un solo posible estado compatible con esa energia, hay más de uno. La entropia estadísticamente es proporcional al logaritmo del numero de estados compatibles con la energia del sistema, por tanto tendremos entropía distinta de cero. La temperatura está relacionada con la derivada de la energía con respecto a la entropia, que si no es cero, nos daría que la temperatura no tiene por qué ser cero en general. Asi que supongo que no tiene mucho sentido hablar de temperatura de una sola partícula , ya que, en este caso degenerado, aun estando en el estado fundamental no puedes asegurar nada sobre la temperatura. , qué lio me estoy haciendo, ya no sé bien si sé lo que es la temperatura

[carroza]

Re: Comportamiento de la materia en el cero absoluto

Si el estado fundamental está degenerado, ya no hay un solo posible estado compatible con esa energia, hay más de uno. La entropia estadísticamente es proporcional al logaritmo del numero de estados compatibles con la energia del sistema, por tanto tendremos entropía distinta de cero. La temperatura está relacionada con la derivada de la energía con respecto a la entropia, que si no es cero, nos daría que la temperatura no tiene por qué ser cero en general. Asi que supongo que no tiene mucho sentido hablar de temperatura de una sola partícula , ya que, en este caso degenerado, aun estando en el estado fundamental no puedes asegurar nada sobre la temperatura. , qué lio me estoy haciendo, ya no sé bien si sé lo que es la temperatura

No veo que haya mucho problema. Si hay un estado fundamental degenerado, con una temperatura T finita cualquiera, todos los estados degenerados tienen la misma probabilidad. Por tanto, en el limite$T\to 0$, todos los estados degenerados del nivel fundamental tendran la misma probabilidad. Si no la tuvieran, el sistema no estaria en equilibrio termico.

La entropia esta relacionada con la derivada del logaritmo de la función de partición con respecto a la temperatura. Esto se puede evaluar para T finita y luego hacer el limite cuando $T \to 0$

Con respecto a si tiene sentido hablar de la temperatura de un atomo, pues si la tiene, siempre que hablemos de una descripción estadistica de las propiedades de ese atomo.

Asi, para el caso de un estado fundamental degenerado, no podemos hablar de la funcion de onda de un atomo con T=0, pero si podemos hablar de la matriz densidad de un atomo con T=0.

[pod]

Re: Comportamiento de la materia en el cero absoluto

Con respecto a si tiene sentido hablar de la temperatura de un atomo, pues si la tiene, siempre que hablemos de una descripción estadistica de las propiedades de ese atomo.

En estadística, el error que cabe esperar en las estimaciones
está relacionada con la desviación típica, ¿no? Y para evitar que sera una estimación sesgada hay que modificar la varianza de forma que es inversamente proporcional a N-1. Si tenemos N=1, la varianza es infinita... Así que al hacer la estadística de un átomo estamos cometiendo un error infinito en todas las estimaciones estadísticas. ¿Dónde falla esto?