La Tercera Ley de la Termodinámica establece que a medida que una sustancia se enfría a una temperatura cercana al cero absoluto (-273.15°C o 0 Kelvin), su entropía, que es una medida del desorden o la incertidumbre en el sistema, se aproxima a un valor constante y finito.
Esta ley postula que alcanzar el cero absoluto requeriría un número infinito de pasos, siendo inalcanzable en la práctica. Además, sugiere que todos los sistemas alcanzarían un estado de máxima orden y mínimo desorden teórico a esa temperatura extrema, lo que tiene implicaciones fundamentales en campos como la física cuántica y el estudio de nuevos materiales con propiedades extraordinarias a temperaturas ultra bajas.
A continuación se muestran algunos ejemplos que ilustran este principio:
Ejemplo 1: Cristales de hielo
Cuando el agua se enfría a temperaturas cercanas al cero absoluto, se forman cristales de hielo. A medida que la temperatura disminuye, las moléculas de agua pierden energía y se organizan en una estructura altamente ordenada.
En el cero absoluto, los cristales de hielo alcanzarían su máxima ordenación.
Ejemplo 2: Superconductividad
La superconductividad es un fenómeno de la física que ocurre en ciertos materiales cuando se enfrían por debajo de una temperatura crítica específica. A esta temperatura crítica, los materiales superconductores exhiben una propiedad única: la resistencia eléctrica desaparece por completo permitiendo que la electricidad fluya sin pérdida de energía.
La Tercera Ley de la Termodinámica explica la relación entre la superconductividad y la reducción de la entropía a temperaturas ultra bajas.
En condiciones normales, cuando aplicamos una corriente eléctrica a través de un conductor, como un alambre de cobre, los electrones que transportan la electricidad se enfrentan a obstáculos y choques con los iones del material, lo que genera una resistencia al flujo de electrones. Esta resistencia es la responsable de la pérdida de energía en forma de calor y limita la eficiencia de los dispositivos eléctricos.
Sin embargo, en un material superconductor, a temperaturas muy bajas cercanas al cero absoluto, algo asombroso sucede: los electrones forman "pares de Cooper". Estos pares están compuestos por dos electrones que se unen y se mueven juntos a través del cristal sin experimentar resistencia.
Ejemplo 3: Helio líquido
El helio, un gas a temperatura ambiente, se convierte en líquido a temperaturas extremadamente bajas, cercanas al cero absoluto.
A medida que el helio se enfría y se convierte en líquido, sus átomos reducen su energía y se mueven con menos agitación, lo que resulta en una disminución significativa de la entropía.
Ejemplo 4: Condensados de Bose-Einstein
A temperaturas cercanas al cero absoluto, algunos átomos se unen en un estado de agregación especial llamado condensado de Bose-Einstein.
En este estado cuántico, los átomos pierden su individualidad y se comportan como una sola entidad cuántica. Este fenómeno es posible gracias a la Tercera Ley de la Termodinámica, que establece que la entropía disminuye a medida que se alcanzan temperaturas extremadamente bajas.
Este fenómeno fue predicho por Albert Einstein y el físico indio Satyendra Nath Bose en la década de 1920. La idea se basa en la estadística cuántica de Bose-Einstein, que describe el comportamiento de partículas idénticas e indistinguibles, como los fotones de la luz o los átomos que forman ciertos elementos.
En condiciones normales, a temperaturas más altas, las partículas siguen una distribución estadística de Fermi-Dirac (para fermiones) o de Maxwell-Boltzmann (para bosones).
Sin embargo, cuando las partículas se enfrían a temperaturas extremadamente bajas, su comportamiento cuántico colectivo comienza a dominar, y tienden a "colapsar" en el estado de menor energía posible. En este punto, una gran cantidad de partículas ocupa un solo estado cuántico, formando lo que se conoce como el condensado de Bose-Einstein.
En este estado cuántico, las partículas pierden su individualidad y se comportan como una "superpartícula" colectiva, con propiedades cuánticas macroscópicas. Toda la sustancia se convierte en una sola entidad cuántica
Ejemplo 5: Helio sólido
A temperaturas cercanas al cero absoluto, el helio líquido también puede solidificarse. En su estado sólido, el helio exhibe un comportamiento inusual, como la superfluidez, donde puede fluir sin resistencia a través de capilares extremadamente estrechos, desafiando las leyes clásicas de la física.
Ejemplo 6: Hielo seco
El hielo seco es dióxido de carbono (CO2) en estado sólido a temperaturas mucho más bajas que el punto de congelación del agua. A diferencia del agua, que se congela a 0°C, el CO2 se solidifica directamente en forma de hielo seco a una temperatura de -78.5°C (-109.3°F) a presión atmosférica normal.
Cuando el hielo seco se encuentra a temperaturas cercanas al cero absoluto, se comporta de manera similar a otros sólidos a esas temperaturas extremadamente bajas. Las moléculas de CO2 que forman el hielo seco reducen drásticamente su energía cinética, lo que resulta en una estructura altamente ordenada y una disminución significativa de la entropía. En este estado, el hielo seco alcanzaría su máxima ordenación térmica posible a temperatura ambiente.
El hielo seco es ampliamente utilizado en aplicaciones como refrigerante, en la industria alimentaria, en transporte de materiales sensibles al calor y como efecto especial en el teatro y la industria del entretenimiento.
