¿Por qué hay un límite para el frío, pero no para el calor?

Descripción de la imagen: La teoría del cero absoluto y las temperaturas extremas en el universo. Fuente de la imagen: Astronoo IA.

Noción de cero absoluto

El cero absoluto, definido como 0 K (kelvin) o -273,15 °C, representa la temperatura teórica más baja que se puede alcanzar. A esta temperatura, los átomos están en su estado fundamental más bajo y cesan todo movimiento, salvo efectos cuánticos residuales. Esto marca un límite porque, según los principios de la termodinámica, es imposible una energía cinética negativa, lo que explica por qué no se puede ir por debajo de 0 K.

¿Por qué es imposible una energía cinética negativa?

Esta fórmula, donde m es la masa de la partícula y v su velocidad, muestra que la energía cinética depende de la masa y del cuadrado de la velocidad. En física clásica la masa es siempre positiva. En otras palabras, la energía cinética nunca puede ser negativa, porque los términos físicos que la definen, como la masa y el cuadrado de la velocidad, no permiten valores negativos.

$$Ec = \frac{1}{2} mv^2$$

En termodinámica, la temperatura es una medida de la energía cinética media de las partículas en un sistema. Una temperatura de 0 K corresponde al cero absoluto, donde las partículas están en su estado fundamental y no poseen movimiento térmico, lo que conlleva una energía cinética media nula. Ir por debajo de este punto requeriría una energía cinética negativa, es decir, un movimiento "por debajo" de la inmovilidad absoluta, lo cual es físicamente absurdo en el contexto de la mecánica clásica y cuántica.

El tercer principio de la termodinámica dice que, cuando la temperatura de un sistema alcanza el cero absoluto (0 K), la entropía, o el «desorden» de las partículas, se minimiza. En otras palabras, a esta temperatura, las partículas están en un estado de orden perfecto, donde no tienen ninguna agitación térmica. En un sistema ideal, esto significa que la entropía es nula, ya que todas las partículas están perfectamente alineadas y no se mueven.

A 0 K, en un sistema ideal, el desorden térmico es nulo porque las partículas ya no tienen agitación térmica y están congeladas en un estado perfectamente ordenado. Esto significa que no hay más posibilidades de desorden.

Sin embargo, incluso a 0 K, algunas partículas conservan un ligero «desorden» o movimiento residual debido a efectos cuánticos. Pero, desde un punto de vista clásico y en un sistema perfectamente ordenado, efectivamente ya no hay desorden posible a esta temperatura.

N.B.: Si la masa es hipotéticamente negativa, entonces la energía se vuelve negativa, pero esto está fuera del alcance de la física clásica y requeriría un modelo teórico específico y nuevas interpretaciones para comprender qué significa energía cinética negativa. Actualmente, ninguna observación o experimento ha demostrado la existencia de masas negativas.

¿Por qué no hay límite superior para la temperatura?

A diferencia del frío, el calor no tiene un límite intrínseco superior. La temperatura es una medida de la energía cinética media de las partículas, y nada impide, teóricamente, añadir energía continuamente. En condiciones extremas, como las encontradas en la creación del universo, las temperaturas pueden alcanzar miles de millones o incluso billones de kelvins. Estas temperaturas elevadas están limitadas solo por las capacidades de las fuentes de energía disponibles, y no por un límite físico inherente.

Conclusión

En resumen, el cero absoluto representa un límite físico debido a la imposibilidad de reducir la energía de las partículas por debajo de su estado fundamental (la inmovilidad absoluta). En cambio, no existe ninguna barrera fundamental para temperaturas extremadamente altas (la agitación extrema).