lunes, 3 de septiembre de 2018

La baja temperatura del espacio - José Oñorbe Bernis

¿Por qué se habla de la "baja temperatura del espacio"? ¿Cómo puede tener el vacío una temperatura?
(José Oñorbe Bernis)



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.

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