¿Por
qué se habla de la "baja temperatura del espacio"? ¿Cómo puede tener
el vacío una temperatura?
(José Oñorbe Bernis)
Capítulo 10 de CIENCIA, y además lo entiendo!!!
Efectivamente, en el vacío absoluto no
tiene sentido hablar de temperatura. La temperatura de un objeto o un sistema
es una medida estadística del movimiento de las partículas que forman ese
objeto. Cuanto más rápido se mueven esas partículas, más caliente y cuanto más despacio,
más frío. Así que, si no tenemos nada que pueda moverse, obviamente no podemos
decir nada de su temperatura.
Lo que sí tiene sentido es pensar en la
temperatura que tendría un objeto que pusiéramos en el vacío. Si hiciéramos
esto, siempre podremos definir una temperatura midiendo el movimiento de las
partículas que forman este objeto. Vamos a ver que la temperatura en el espacio
puede ser muy alta o muy baja y que va a depender de donde situemos nuestro
objeto. Pero antes de pensar en cómo variará la temperatura de un objeto en el
espacio, pensemos primero en un ejemplo más sencillo. ¿Qué pasaría si ponemos
un objeto en el vacío?
Imaginemos que en un laboratorio de la
tierra tenemos una cámara que nos permite crear un vacío perfecto en su
interior [1]. ¿Que pasa si ponemos una esfera de hierro de 1 metro de radio a una temperatura de 23
grados Celsius (°C)? Para poder calcular esto tenemos que pensar en como un
objeto puede ganar o perder temperatura y para eso es necesario introducir el
concepto de transferencia/transporte de calor. El transporte de calor es la
cantidad de energía que se transfiere entre un sistema y su entorno produciendo
un cambio de temperatura en dicho sistema. Obviamente este cambio puede ser positivo,
aumentando la temperatura, o negativo, disminuyendo la temperatura.
1 ¿Cómo puede un objeto cambiar su
temperatura? Transferencia de calor.
Existen tres mecanismos posibles de
transporte de calor en la naturaleza, que aunque no te suenen por sus nombres
ya los conoces muy bien. Estos tres mecanismos son la conducción, la convección
y la radiación. La diferencia fundamental entre ellos es como se produce el
transporte el calor.
La conducción térmica es el transporte de
calor entre regiones de materia que se encuentran a diferente temperatura. El
calor es transferido por la interacción directa entre las moléculas y átomos
que forman el medio y que se encuentran a distinta temperatura. El ejemplo más
claro sucede cuando calentamos una pieza alargada de metal por un extremo y
lentamente, por medio de la conducción térmica, el otro extremo del metal
también se calentará. Sin embargo en el caso de nuestra esfera de hierro puesta
en el vacío, la conducción térmica no puede jugar ningún papel ¡ya que no se
encuentra en contacto directo con nada! Un mecanismo de transferencia de calor
descartado.
La transferencia de calor por convección
térmica es característica de líquidos y gases e implica movimientos
macroscópicos de materia en el sistema. Calentar agua en una olla es un ejemplo
muy típico. Una vez la olla se calienta se empieza a transferir calor por conducción
al agua en contacto directo con ella. Sin embargo una vez este agua se ha
calentado empieza a moverse en la olla, facilitando la transferencia de calor
al agua todavía fría. Esta es la idea detrás de los hornos de convección, que
mueven el aire del horno facilitando la transferencia de calor por convección.
En cualquier caso, volviendo a nuestra esfera en el vacío, está claro que
tampoco podemos tener transferencia de calor por convección térmica ya que no
se encuentra en contacto con nada.
Nos queda un último mecanismo de
transporte de calor y vamos a ver que juega un papel fundamental para entender
qué temperatura hace en el espacio: la radiación térmica. La radiación térmica
es la transferencia de calor a través de radiación electromagnética. De acuerdo
con la teoría cuántica del electromagnetismo, la radiación electromagnética se
basa en la existencia de partículas, los fotones, que pueden tener distinta
energía y que se propagan a la velocidad de la luz en el vacío. Todo sistema
compuesto de materia ordinaria (bariones) es capaz de absorber radiación
electromagnética. Por tanto, si apuntamos un láser hacia nuestra cápsula de
vacío, la radiación emitida por el láser si puede viajar a través de la cápsula
y calentará la esfera de hierro. Un objeto capaz de absorber toda la radiación
electromagnética que recibe se conoce como cuerpo negro [2]. Pero en la
realidad cada sistema puede ser más o menos eficaz en absorber la radiación
(absortividad). Por ejemplo, los hornos microondas están hechos para emitir
radiación electromagnética que el agua absorbe muy eficazmente (ondas
microondas).
Hemos visto que en el vacío un objeto
puede incrementar su temperatura absorbiendo
radiación electromagnética pero también disminuirá su temperatura si la
emite. ¿Y una esfera de hierro emite radiación electromagnética? Si. Toda la
materia ordinaria (bariones) emite radiación electromagnética cuando se
encuentra a una temperatura por encima
de lo que se conoce como cero absoluto, cero grados Kelvin (ó -273.15 °C). Esta
radiación se origina por un conjunto de procesos espontáneos que tienden a
incrementar la entropía [3]. La energía por superficie irradiada de esta forma
depende principalmente de la temperatura del objeto y del material del que este
hecho (emisividad).
Si pudiéramos dejar nuestra cápsula de
vacío en un lugar totalmente aislado de cualquier otro emisor, la esfera de
hierro irá disminuyendo su temperatura conforme emite radiación
electromagnética. Por ejemplo, la temperatura de nuestra esfera de hierro
bajará de 23°C a 22°C, en unas tres horas y quince minutos [4]. Un ser humano de tamaño medio (1.70 metros y
70 Kg de peso) a 36°C tardaría unos 5 minutos en enfriarse un grado por el
mismo proceso físico y una media hora en llegar a los 30°C, límite de la
hipotermia grave y la pérdida de conciencia [5]. Sin embargo, en la realidad
mucho antes de que pudiéramos sentir frío, la exposición del cuerpo humano a un
medio sin presión como es el vacío sería un problema mucho más grave.
2 La temperatura en el espacio
Ahora ya sabemos que el vacío puede ser
un sitio muy frío pero solo si estamos realmente solos, es decir, si no
recibimos radiación electromagnética. Pero esto no tiene porqué ser así en el
espacio. Las estrellas ó los quásares son dos ejemplos de fuentes de radiación
electromagnética en el Universo. De hecho el espacio puede ser un sitio muy
caliente si estamos cerca de una estrella. Por ejemplo, si ponemos nuestra
esfera de hierro en el espacio cerca la estación espacial internacional de tal
forma que reciba directamente la radiación del Sol, solo hacen falta unos
ochenta minutos para que la temperatura de nuestra esfera se incremente en un
grado. La esfera alcanza los 60.35°C,
que es su temperatura de equilibrio, la temperatura a la cual el objeto
emite la misma radiación que absorbe, en unos veinte días [6]. Por tanto, las
diferencias de temperatura entre un objeto que recibe radiación solar y otro
que no lo hace son muy grandes. Un ejemplo muy significativo es la Luna, la
diferencia de temperatura en la superficie de la Luna entre el día y la noche
llega a alcanzar los doscientos grados centígrados (de los -153°C durante la
noche a 107°C durante el día). Los astronautas también sufren estas diferencias
de temperatura, pero los trajes espaciales además de estar fabricados para
reflejar casi el 90% de la luz que les llega, y por tanto tener una
absortividad muy baja, llevan incorporados sistemas de refrigeración.
Conforme nos alejemos de la fuente de
radiación, la temperatura de un objeto se irá reduciendo. Sin embargo aún
intentando alejarse de toda fuente posible, nunca veríamos a un objeto alcanzar
una temperatura de equilibrio de cero grados Kelvin sino 2.7 Kelvin (-270.45
°C). Esta es la temperatura de la radiación de fondo de microondas producto del
Big Bang [7] y que baña por completo el Universo. Así que esta sería la
temperatura que tendría nuestra esfera de hierro si consiguiéramos aislarla del
resto de fuentes del Universo. Por cierto, ¿cuánto tardaría en alcanzar la
esfera esta temperatura? ¡unos 80.000 años! [8] Aunque esto parezca mucho
tiempo, es bueno recordar que el sistema solar tiene unos 4.600.000.000 años (y
el Universo tiene aproximadamente unos 13.799.000.000 años). Con esto en mente,
está claro que el tiempo no es un problema para que la mayoría de los objetos
que forman el Universo alcancen una temperatura de equilibrio. Quizás por eso
no es extraño entonces que mucha gente piense en el espacio como un lugar frío.
Pero esto es solo cierto siempre y cuando no tengamos ninguna fuente de calor
cerca, y nosotros tenemos el Sol.
Notas:
1. Estas cámaras de vacío existen en la
Tierra aunque suelen construirse con materiales que las aíslan perfectamente
del exterior. La cámara de vacío más grande está en Estados Unidos (Sandusky,
Ohio) y es un cilindro de 37 metros de
diámetro y 37 metros de altura. Fue construida por la NASA en 1967 y se ha usado
para probar distintas partes de cohetes, de módulos de aterrizaje de Marte y de
estaciones espaciales.
2. Ver capítulo 62.
3. Ver capítulo 58.
4. Para hacer este cálculo hemos asumido
una emisividad constante para el hierro de 0.2 (hierro pulido), una capacidad
calorífica de 412 J Kg-1K-1 y una densidad de 7850 kg m-3.
5. Para hacer este cálculo hemos asumido
una emisividad constante para el tejido humano de 0.99 y una capacidad
calorífica de 3500 J Kg-1K-1. Hemos calculado la
superficie total del cuerpo humano usando la relación empírica hallada por
Mosteller (ver bibliografía) entre esta cantidad y la altura y el peso de la
persona.
6. Hemos considerado que la superficie
del Sol está a 5800 Kelvin, que el Sol tiene un radio de 6.995x108
metros y que nuestra esfera esta a 1.50x1011 metros del Sol, que es
la misma que del Sol a la tierra. Además hemos asumido que la esfera de hierro
tiene una absortividad de 1.0, es decir que es capaz de absorber toda la
radiación electromagnética como un cuerpo negro perfecto. Esto no es del todo
cierto, ya que parte de esa radiación será reflejada.
7. Ver capítulo 59.
8. La temperatura del fondo cósmico de
microondas, 2.725 Kelvin, nos da una intensidad de radiación por superficie de
3.01x10-6 W/m2. De nuevo, hemos asumido que la esfera de
hierro es un cuerpo negro perfecto y que tiene una absortividad de 1.0.
Bibliografía:
- “Física: Mécanica, radiación y calor”, R.P. Feynman, R.B. Leighton,
M. Sands (1987). Adison Wesley Iberoamericana S.A.
- “Statistical Physics”, L.D. Landau, E.M.
Lifshitz (1996). Oxford: Butterworth–Heinemann.
- “Simplified calculation of body-surface
area”, RD. Mosteller (1987). N Engl J Med 317:1098.
- Todas las emisividades para distintos materiales fueron tomadas de
https://en.wikipedia.org/wiki/Heat_capacity
- Todas las capacidades calorífica para distintos materiales fueron
tomadas de http://www.optotherm.com/emiss-table.htm
José Oñorbe Bernis
Doctor en Física
Max Planck Institut für
Astronomie
Actualmente es investigador en el Max Planck Institute for Astronomy en Alemania. Previamente fue investigador postdoctoral en la Universidad de California Irvine con una beca Fulbright y obtuvo su título de doctor en Astrofísica y Cosmología por la Universidad Autónoma de Madrid.
Sus intereses científicos se centran en el estudio de la formación y evolución de galaxias, el medio intergaláctico y la naturaleza de la materia y energía oscuras.
Excelente explicación!
ResponderEliminarEn resumidas cuentas en un VACIO ABSOLUTO no hay temperatura, o sí???
ResponderEliminar