Respuestas (LXXXV): ¿Existe una “temperatura más alta posible”?

Isma Garou me preguntaba hace unos días si, igual que existe una temperatura mínima posible, hay una temperatura más alta que nada pueda superar. Y resulta que el tema es bastante interesante, así que toca hoy toca hablar del calor.

Vale, pero espera un momento. Por una vez, ¿podrías responder “sí o no” y dar una cifra, sin irte por las ramas?

Podría, voz cursiva, podría… Pero entonces no aprenderíamos nada sobre el efecto que tienen las temperaturas extremas sobre la materia que nos rodea.

Pfff…

Como había comentado en esta otra entrada, la temperatura no es más que un reflejo de la velocidad a la que se mueven los átomos de una sustancia: cuanto más rápido vayan, más caliente nos parecerá que está. Este es el motivo por el que la temperatura más baja que puede alcanzar un objeto son -273,15ºC, el llamado cero absoluto, que tendría lugar cuando sus átomos están completamente quietos.

Y, como ya he comentado otras veces, la materia sufre diferentes cambios a medida que su temperatura aumenta.

Una sustancia permanecerá en estado sólido mientras sus átomos se muevan lo suficientemente despacio como para que sus enlaces los puedan mantener unidos. Pero, si la temperatura empieza a aumentar, llega un punto en el que los átomos vibran con tanta violencia que ya no son capaces de mantenerse enlazados. Es entonces cuando la estructura rígida que forman los átomos se desmoronará y la sustancia pasa de ser un sólido a un líquido.

Como dato adicional, la sustancia que tiene el punto de fusión más alto conocido es una “aleación” de hafnio, tántalo y carbono que no se funde hasta que alcanza 4.126ºC.

Polvo de carburo de tántalo (sin el carburo de hafnio). (Fuente)

Pero, como habréis imaginado, existen temperaturas más altas.

Pese a que las moléculas de un líquido no están unidas por enlaces químicos, tienden a mantenerse cerca unas de otras porque existen otras fuerzas atractivas (más débiles) entre ellas. Pero, si la temperatura de un líquido aumenta lo suficiente, sus átomos se moverán tan deprisa que ni siquiera esta atracción podrá mantenerlos unidos. Llegados a este punto, las moléculas rebotarán unas con otras cada vez que se encuentren y no serán capaces de mantener su cohesión. Es entonces cuando el líquido se habrá convertido en un gas.

Siguiendo el ejemplo anterior, la mayor temperatura de evaporación de la tabla periódica la tiene el tungsteno, que no se convierte en un gas hasta que supera los 5.930ºC… Pero, como habréis imaginado, existen temperaturas aún mayores.

Si se incrementa la temperatura de una sustancia más allá de su punto de ebullición, sus átomos se moverán tan rápido que, al chocar, se arrancarán electrones entre ellos. Cuando esto ocurre, la masa de gas adquiere carga eléctrica y se convierte en un plasma.

En este vídeo se puede ver un filamento de plasma desarrollándose en la superficie del sol. (Enlace al vídeo)

En este estado, la temperatura de la materia puede aumentar hasta cifras desorbitadas. Por ejemplo, el plasma que compone el núcleo del sol está a unos 15 millones de grados. A esta temperatura, los núcleos de los átomos se mueven tan rápido que pueden fusionarse cuando colisionan, convertirse en núcleos más grandes… O elementos nuevos, que es lo mismo.

Núcleos de hidrógeno que se fusionan entre ellos en varias etapas para producir núcleos de helio. (Fuente)

Cuanto mayor sea el tamaño de una estrella, más caliente estará el plasma que hay en su interior: si os parecía que en el núcleo del sol hace bochorno, pensad que el de las estrellas más grandes puede alcanzar temperaturas superiores a los 200 millones de grados.

Y, en realidad, eso no es nada en comparación con otros fenómenos más violentos.

Por ejemplo, cuando una estrella muy grande agota su combustible, pero no tiene suficiente masa para formar un agujero negro, la supernova con la que termina su vida deja atrás una estrella de neutrones que puede alcanzar temperaturas de hasta 1 billón de grados en los instantes posteriores a formación (aunque hay que decir que se enfrían muy deprisa y a los pocos segundos su temperatura ha bajado hasta unos refrescantes 100 millones de grados).

Bueno, ya debemos andar cerca de algún límite, ¿no?

Más o menos, voz cursiva: acabamos de llegar al orden de magnitud que marca el siguiente límite, la llamada temperatura de Hagedorn, que se alcanza a los 2 billones de grados. Veamos qué le ocurre a la materia a estas temperaturas.

Los protones y los neutrones que componen los átomos están compuestos por otras partículas aún más pequeñas, los quarks. Hablé con más detalle de ellos en esta otra entrada pero, en resumidas cuentas, lo importante es que cada protón y cada neutrón es en realidad un grupo de 3 quarks unidos por la fuerza nuclear fuerte.

Crédito: GeneralFM/Istock/Thinkstock

Y lo curioso es que, cuando la materia alcanza la temperatura de Hagedorn, los protones y los neutrones se mueven tan rápido que se descomponen en componentes más básicos al chocar, formando una “sopa” de partículas fundamentales llamada plasma de quarks-gluones… Porque es un batiburrillo de quarks sueltos, que no están unidos para formar protones ni neutrones, vaya.

Aunque esta explicación nos da una idea de lo que ocurre a estas temperaturas, tened en cuenta que el fenómeno real es más complejo. En cualquier caso, la temperatura de Hagedorn se podría considerar como una especie de temperatura de evaporación de la propia materia en la que incluso los núcleos de los átomos dejan de existir como tales.

Curiosamente, los científicos han podido observar esta “sopa” de quarks en la Tierra. Siendo más concretos, en 2010, el Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) produjo una temperatura de 4 billones de grados al colisionar dos haces de átomos de oro a velocidades cercanas a las de la luz, superando la temperatura de Hagedorn durante una fracción de segundo y creando por primera vez un plasma de quark-gluones. En 2012, el Large Hadron Collider (LHC) mejoró este récord, produciendo el equivalente a una temperatura de 5,5 billones de grados.

Eso sí: a menos que una fuente de energía mantenga esta “sopa” a temperaturas extremas, los quarks volverán a combinarse de nuevo una fracción de segundo después de su formación, convirtiéndose de nuevo partículas más estables como los protones o los neutrones. De hecho, se cree que el universo entero fue una “sopa” de quarks durante unos milisegundos, poco después del Big Bang, antes de que la temperatura bajara lo suficiente como para que todas esas partículas fundamentales se combinaran y formaran los protones y neutrones que darían lugar a los núcleos de los átomos que lo componen todo.

Y, por fin, hemos llegado a la recta final de la temperatura.

Un vez obtenida una “sopa” de quarks, la temperatura de la materia puede seguir aumentando hasta el siguiente límite, la temperatura de Planck, que equivale ni más ni menos que a 140 quintillones de grados. Para hacernos una idea de la magnitud abrumadora de esta temperatura, pensad que la temperatura de Hagedorn representa sólo un 0,000000000000000001% de esta temperatura máxima.

¿Y qué tiene de especial este límite, además de que se cree que es la temperatura que alcanzó el universo en el instante de su formación?

Pues que, a partir de la tempeartura de Planck, los modelos físicos actuales dejan de ser capaces de predecir qué le pasa a la materia.

Esto ocurre porque las partículas que se encuentran a la temperatura de Planck emiten una radiación tan extremadamente energética que su longitud de onda se reduce hasta la longitud de Planck, la medida más pequeña posible. Y eso es un problema, no sólo porque las longitudes que están por debajo de esta magnitud pierden cualquier significado físico sino que, además, los efectos de la gravedad se vuelven tan intensos como los del resto de las fuerzas fundamentales a estas escalas.

Por desgracia, los modelos actuales no son capaces de integrar la gravedad (que moldea el universo a gran escala) y el resto de fuerzas fundamentales (que actúan a escala subatómica) en un mismo marco teórico así que, a menos que aparezca una Teoría del Todo que reconcilie los dos mundos, no podemos saber qué le ocurre a la materia cuando supera esa temperatura inimaginable.

Aaaah, vale. Entonces, ¿la temperatura de Planck es el límite absoluto de temperatura?

No, no, para nada. Simplemente es el punto a partir del cual no se puede predecir qué le ocurre a las partículas si su velocidad sigue aumentando pero, al menos sobre el papel, no hay ningún límite superior de temperatura porque la velocidad de una partícula puede aumentar indefinidamente, acercándose a valores cada vez más cercanos a los de la velocidad de la luz, pero sin llegar nunca a alcanzarla.

No entiendo muy bien este último párrafo.

Vale, pongámonos técnicos un momento.

Cuando se habla de temperaturas tan extremas como la de Hagedorn o la de Planck, es mejor dejar de referirnos a la velocidad de las partículas y hablar de su energía cinética, que viene determinada por esta fórmula:

Si una partícula se moviera a la velocidad de la luz (v = c), entonces el resultado de la parte inferior de la división sería 0 pero, como no se puede dividir entre cero, la energía cinética que le corresponde a esta velocidad no tiene ningún sentido. Y eso tiene lógica, porque ningún objeto que tenga masa puede alcanzar la velocidad de la luz.

Pero una partícula puede acercarse tanto como quiera a la velocidad de la luz, pero sin llegar a alcanzarla nunca (al 99,9% de esa velocidad, el 99,999%, etc). Cuando sustituimos valores cada vez más cercanos a la velocidad de la luz en la fórmula, el resultado de estas operaciones empieza a aumentar a un ritmo tremendo, dando valores inmenso de energía cinética.

Por tanto, la energía cinética de una partícula puede aumentar indefinidamente, porque se puede mover a velocidades cada vez más cercanas a la de la luz sin incumplir ninguna ley física (aunque te costaría muchísimo).

O sea que, hasta donde sabemos de momento, las cosas quedan así: no se conoce ningún límite superior de temperatura pero, a partir de la temperatura de Planck, no tenemos ni idea de lo que le pasa a la materia.

Y ahora, para variar…

Ciencia de Sofá tiene un libro nuevo, “Las 4 fuerzas que rigen el universo“. En él hablo sobre cómo las cuatro fuerzas fundamentales dan forma a nuestro universo, su descubrimiento y su efecto sobre nuestras vidas. Por otro lado, el libro “viejo” (“El universo en una taza de café“) va por la tercera edición y ahora vuelvo a ofrecer suscripciones a la revista de National Geographic así que, si os interesa alguna de estas propuestas, podéis acceder a una entrada donde las explico con más detalle haciendo click sobre la siguiente imagen 🙂

 

 

15 pensamientos en “Respuestas (LXXXV): ¿Existe una “temperatura más alta posible”?”

    1. En principio un agujero negro no dependería de la energía cinética, sino de la densidad del material.

      En general, al aumentar la temperatura la densidad disminuye, así que te interesaría tener la menor energía cinética posible.

      1. Me autocorrijo el primer párrafo ya que si el agujero negro depende de la densidad, entonces también dependerá de la energía cinética si se pueden relacionar.

        1. Yo sigo sin tener ni idea, asi que me creo lo que me digais jejeje.

          Pero, mi hipótesis es: si una mayor temperatura implica una mayor velocidad de las partículas, entonces: si yo aumento la temperatura de la partícula hasta que se mueva a velocidades cercanas a la de la luz, su masa empezara a aumentar, y si me pongo bruto y la acelero mucho, su masa aumentara mucho y pasado cierto punto colapsara en un agujero negro.

          En ese momento el concepto de temperatura ya no tendrá sentido y… Prueba superada!!! Tenemos la temperatura máxima del universo en un instante antes del colapso.

          ¿O no?

          Corregidme si me equivoco, pero… ¿No es esta (mas o menos) la forma en la que se forman microagujeros negros en el LHC?

  1. Osea que la temperatura para objetos con masa aumenta indefinidamente a medida q nos acercamos a velocidades cercanas a la de la luz,
    Que sucede con los fotones? no poseen temperatura porque no poseen masa ?

    1. Tengo una pregunta: Si un objeto muy frío se acerca a muchísima velocidad hacia el planeta Tierra, tiene mucha energía cinética y, sin embargo, su temperatura es muy baja y apenas irradia energía. Y si ese objeto es un único átomo, ocurre lo mismo. Sin embargo, cuando ese átomo llega a la Tierra y pasa junto a nosotros, ¿de repente se transforma en un átomo caliente e irradia energía en forma de ondas electromagnéticas?

  2. Es decir: ¿Cuál es la diferencia entre un átomo frío que se acerca muy rápido hacia nosotros y un átomo caliente, si ambos tienen la misma energía cinética? ¿Cómo sabe el átomo si tiene que irradiar energía brillando en la oscuridad?
    Un saludo!

  3. Desde pequeño sé que la temperatura es la velocidad de los átomos. Pero hoy me ha surgido una duda existencial. ¿Hay una determinada velocidad a la que una nave espacial simplemente se fundiria?

    1. He visto que la relación entre Energía y aumento de temperatura es E = mc*(tf – ti) (la c depende del material, para simplificar suponemos aluminio con c = 8960 J/kg*ºC). He visto que sitios más fríos del Sistema Solar están a – 238 ºC y la tempertura de fusión del aluminio es 660 ºC.

      Las masas nos las podemos cargar, de ahí nos sale que la velocidad es la raíz cuadrada de 2*c*(tf – ti) = 4011 m/s. Obviamente todo es aproximado, pero nos hacemos una idea del tipo de velocidad necesario.Me comentáis si veis algun error.

      1. Hola! El problema que veo es que has planteado mal la pregunta, no deberias buscar el punto de fusión, sino la temperatura a partir de la cual empieza a perder integridad estructural, que en el caso del aluminio son 300 y pico grados.

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