Física cuántica y termodinámica

La física cuántica no es mágica, pero la termodinámica parece que tiene una forma Agua hirviendo. Foto de Chad Orzel. Por Chad Orzel, para Forbes 27-Agosto de 2017 Escribo sobre física, ciencia, academia y cultura pop. Las opiniones expresadas por los colaboradores de Forbes son propias de ellos Nos estamos acercando al final de un proyecto de mejoras para el hogar que duró meses y que incluyó la evisceración y el reemplazo de nuestra cocina. Esto significa que durante un par de meses he estado hirviendo agua para mi cafeína caliente de la mañana no en un hervidor de agua en una estufa sino en la tetera eléctrica de cristal como se ve arriba (que tiene luces incorporadas frescas porque los LED azules son demasiado baratos ahora). Los lados claros de la caldera me han llevado a gastar mucho más tiempo pensando en hervir de lo que suelo hacer. Como alguien que ha escrito un libro sobre la física cuántica y está trabajando en otro, me hacen un buen número de preguntas sobre los fenómenos cuánticos. Estos son a menudo retratado como una especie de magia, pero si usted pasa suficiente tiempo pensando en el tema, estos son claramente no tan mágicos. Los fenómenos cuánticos son extraños, ciertamente, porque confunden la intuición cotidiana, pero siguen muy naturalmente la aplicación de unas reglas bastante simples. Saber más acerca de ello no hace que el tema sea menos sorprendente, pero la rareza retrocede un poco. La física de la termodinámica, por otra parte, sigue la trayectoria opuesta, al menos inicialmente. Es decir, cuando me encuentro pensando más acerca de lo que está pasando en un proceso como la ebullición, saber un poco sobre la física subyacente hace que parezca más mágico. Aún más porque hay un contenido cuántico mínimo, un número inimaginablemente grande de partículas que interactúan de una manera casi clásica. En un nivel a granel, la ebullición es sólo una manifestación de una transición de fase en el agua: al calentar un recipiente de agua, eventualmente llegas a un punto donde el agua cambia de líquido a gas. Hay un costo de energía para este -- el "calor de vaporización" si usted es un poco de la vieja escuela, o "entalpía de vaporización" si desea estar más al día y formal -- y la temperatura de la muestra como un todo no puede aumentar hasta que todo el líquido se convierte en vapor, por lo que puede tirar de trucos como agua hirviendo en una taza de papel. Eso es todo bastante sencillo, y conduce a algunos de los problemas de tarea más aburrido en el mundo. Si miras un poco más cerca, sin embargo, hay mucho más en marcha, y se vuelve más interesante. La firma visible (y audible) de agua hirviendo es, por supuesto, el burbujeo -- el agua no cambia de líquido a vapor de una vez, pero un poco a la vez. La calefacción no es perfectamente uniforme, por lo que obtendrá "puntos calientes" donde un poco de líquido va a cruzar la transición, mientras que el líquido circundante no lo hace. La tensión superficial del agua forma rápidamente esto en una burbuja redonda, que sube a la superficie y luego estalla rompiendo el vapor dentro. Es básicamente imposible predecir exactamente dónde se formarán las burbujas, que es lo que da a una olla de agua rápidamente hirviendo su carácter caótico. Curiosamente, el proceso opuesto es una firma de un tipo diferente de transición de fase, la formación de helio superfluido. Necesita enfriar el helio a unos cuatro grados por encima del cero absoluto para que llegue al estado líquido, pero puede continuar enfriándolo por debajo de ese punto conectando una bomba de vacío para reducir la presión en el recipiente. El líquido refrigerante continuará hirviendo, formando burbujas donde los "puntos calientes" en el líquido hacen la transición al vapor y luego suben a la superficie. Esto continúa hasta llegar a 2,17 kelvin, momento en el que el líquido de repente se vuelve suave, lo que indica que el helio ha experimentado una transición a un superfluido. Ya no se forman burbujas no porque la bomba se haya detenido o el líquido haya dejado de evaporarse, sino porque en la fase superfluida la conductividad térmica es enorme. No obtienes burbujas porque el líquido transfiere el calor de un lugar a otro tan rápidamente que es imposible formar los puntos calientes aislados que conducen a las burbujas. Chad Orzel es un profesor de física, autor de ciencia pop y blogger. Su último libro es Eureka: Discovering Your Inner Scientist (Libros Básicos, 2014). With a little help from Google Translate for Business