medición de propiedades térmicas

En lugar de un baño de hielo, una camisa de gas caliente. Así es como ahora se enfría el comparador criogénico de corriente en el Instituto Nacional de Metrología de Japón. Antes, este instrumento, que compara corrientes eléctricas con una precisión de milmillonésimas, requería sumergirse en helio líquido.

Un traductor universal para todos los dialectos del sodio. El sodio líquido en un reactor se comporta de manera diferente: junto a la pared de la tubería es denso y rápido, en la superficie de ebullición es diluido y lento. Antes, para cada uno de estos estados se necesitaba un conjunto separado de cálculos, como si para cada frase hubiera que contratar a un traductor nuevo.

Una estrella parpadea cada 38 segundos. No es un centelleo aleatorio: en el interior de la enana blanca WD 0158−160 se producen oscilaciones regulares, como los golpes de un metrónomo invisible. Con el ritmo de esos golpes y la distancia precisa a la estrella, los astrónomos han calculado su masa y temperatura, sin echar un solo vistazo al espectro.

La temporada de baño se abre cuando el agua parece tolerable. Pero cada uno tiene su umbral: uno tiembla a veinte grados, otro nada tranquilamente a quince. Los científicos decidieron averiguar de dónde viene esta diferencia. Compararon el cuerpo del nadador con una casa que intenta conservar el calor mientras afuera sopla un viento frío.

Una batería normal libera calor de forma gradual: tanto almacena, tanto entrega. La potencia queda fijada de una vez por todas, como un grifo del que el agua sale en un solo chorro. Pero a veces no se necesita un flujo constante, sino una descarga corta y potente: calentar una pieza al instante, iniciar una reacción, disipar el exceso de calor.

Un superconductor es un material en el que la electricidad fluye sin pérdidas, como el agua por una tubería perfectamente lisa. Pero si se comprime ligeramente, como un resorte, sus propiedades cambian. Los científicos llevaban tiempo queriendo medir cuánto calor absorbe un material así comprimido, pero los instrumentos no cabían en el reducido montaje.

En la cocina, cuando la sartén se calienta al rojo, la mano siente el calor antes de tocar. El telescopio solar capta un calor invisible similar, pero que proviene de una estrella, no de una estufa. El instrumento llamado HATS detecta radiación en el rango de terahercios, que antes apenas se estudiaba por las dificultades técnicas.

En una habitación, el aire toca la piel y sentimos su temperatura. Pero si el cuerpo de repente se lanzara con una aceleración colosal, el calor llegaría incluso desde el vacío absoluto.

El efecto Mpemba es un enigma: el agua caliente a veces se congela más rápido que la tibia. Normalmente se relaciona con cómo el agua pierde calor y entropía (medida del desorden). Pero en un vaso de agua, el caos impide un modelo preciso. Los físicos construyeron un modelo cuántico: una partícula en un pozo con dos huecos separados por una barrera.

El calor nos rodea por todas partes: desde el tubo de escape de un automóvil hasta la carcasa de una computadora portátil en funcionamiento. Los materiales termoeléctricos podrían convertir ese calor residual en electricidad.

Una máquina térmica no tiene que ser de hierro. En el micromundo, el papel del pistón puede desempeñarlo un solo electrón, y en lugar de combustible, el propio proceso de medición. Dos "bolsillos" vecinos para electrones se conectan mediante un puente estrecho.

El vapor que se eleva sobre un metal caliente es una vista familiar en la cocina. Pero si en lugar de agua usamos rubidio, esa nube se convierte en una batería. No funciona mediante reacciones químicas, sino gracias a la coordinación cuántica de los átomos.

Un trozo de metal al rojo vivo en un horno es como una sartén en la cocina: cuanto más fuerte es el calor, más rápido se transmite a la mano si la tocas. Pero a temperaturas en las que el metal ya está cerca de fundirse, medir esa velocidad es muy difícil: los sensores no se adhieren bien, el calor se escapa al aire y la propia muestra brilla y confunde los instrumentos.

Un sistema cuántico puede poseer una propiedad llamada magia. No se trata de trucos, sino de una medida de lo difícil que resulta reproducir su comportamiento en una computadora clásica. Los estados ordinarios —llamados estabilizadores— son fáciles de calcular para una computadora. Pero los estados con magia la dejan perpleja.

El agua es el único líquido común que, al enfriarse, no se contrae de inmediato. El hielo se derrite y el agua se vuelve más densa, pero solo hasta los 4 grados Celsius. Más allá, si se sigue enfriando, vuelve a expandirse.

El frigorífico magnético del futuro no zumbará con un compresor. En su lugar, enfriará los alimentos gracias a que un material especial se calienta en un campo magnético y se enfría cuando el campo se retira. Este ciclo se asemeja a la compresión y expansión de un gas en un frigorífico convencional, pero en lugar de un pistón, actúa un imán.

Cuando los servidores de un centro de datos trabajan a plena potencia, se calientan como una plancha olvidada. Ese calor se pierde, y para enfriarlos se gasta aún más energía. Unos ingenieros de Alemania han propuesto aprovechar ese calor: que sea él mismo quien impulse el líquido por tubos finos, sin motores ni bombas. Su dispositivo parece una cajita plana con el fondo asimétrico.

Se calienta un trozo de aleación de aluminio y, en silencio, cuenta su resistencia. Solo hay que saber escuchar esa historia en la forma en que el metal absorbe el calor. La forma habitual de saber cuán resistente es una aleación es estirarla hasta que se rompa. Eso lleva tiempo y destruye la muestra.

El hidrógeno es el campeón en energía por kilogramo, pero almacenarlo es un dolor de cabeza. En forma de gas ocupa un volumen enorme, y si se comprime o se enfría hasta licuarlo, se necesitan tanques pesados y mucha energía. Hay un tercer camino: algunos materiales sólidos absorben hidrógeno como una esponja absorbe agua y lo retienen en su interior.

Un sismómetro es el oído del planeta. Capta las mínimas vibraciones del suelo y las convierte en una señal eléctrica. Pero ese oído no es perfecto: su sensibilidad depende de la temperatura. En el frío y en el calor, el instrumento escucha de forma ligeramente distinta, y eso introduce un error en las mediciones.

Una aleación metálica se parece a un cóctel: mezclas varios elementos y obtienes un material con nuevas propiedades. Pero si el camarero prueba la bebida, los ingenieros necesitan saber de antemano cómo se comportará la aleación en el trabajo. Por ejemplo, si resistirá altas temperaturas y no perderá su capacidad de conducir corriente.

Una célula es una ciudad donde diminutos motores trabajan sin cesar. Transportan cargas, mueven cilios y hacen que los músculos se contraigan. Todo ese trabajo desprende calor, como se calienta el motor de un automóvil. Pero medir ese calor en un motor individual de unos pocos nanómetros no es tarea fácil.

Diminutas partículas con forma de flor son capaces de hacer dos cosas a la vez: calentarse y avisar de lo calientes que están. No es ciencia ficción, sino el resultado de trabajar con nanopartículas de ferrita de cobalto, un material magnético que reacciona ante un campo magnético.

Una diminuta escama de cristal reposa sobre un sustrato como una hoja otoñal en la palma de la mano. Su grosor es menor que un cabello humano, y en su interior bullen efectos cuánticos: superconductividad, orden magnético, líquido de espín cuántico.

En un congelador, el agua común se convierte en hielo, pero en las células vivas ese hielo es una catástrofe: los cristales afilados desgarran las membranas como agujas que pinchan un globo. Los científicos que preservan células para la medicina han aprendido a evitar este desastre, pero cada método habla su propio idioma.

El cocinero salpica agua sobre una sartén caliente: las gotas chisporrotean y desaparecen, revelando al instante la temperatura, más rápido que esperar un termómetro. Un principio similar funciona en la termometría cuántica.

En el mundo cuántico, las partículas pueden atravesar paredes: eso es el efecto túnel cuántico. Si colocamos un detector justo en el camino de ese paso "fantasmal", la detección actúa como un pistoletazo de salida: la partícula recibe un fuerte empujón y sale de la barrera con un exceso de energía, convirtiéndose en un diminuto motor.

Un termómetro sumergido en una muestra normalmente solo informa de la temperatura. Pero si la temperatura oscila ligeramente y la muestra responde con retraso, en esa respuesta se esconde algo más: la parte imaginaria de la capacidad calorífica, que, según se ha descubierto, sabe escuchar el eco cuántico del tiempo.

Una máquina térmica es como un velero: para avanzar necesita un gradiente. Normalmente, es la diferencia de temperatura entre el reservorio caliente y el frío. Pero, ¿y si el propio reservorio se moviera? El viento que hincha las velas no solo se debe a la diferencia de presiones, sino también al movimiento de las masas de aire.

Dos cúbits, que son bits cuánticos, sistemas de dos niveles, se deslizan a través de baños térmicos, uno caliente y otro frío. Uno se mueve a 0,8 veces la velocidad de la luz. En ese momento, la termodinámica convencional se resquebraja: un cúbit en movimiento percibe la temperatura de manera distinta a uno en reposo.

Una batería cuántica no es una caja con electrolito, sino un puñado de átomos o circuitos superconductores cuya energía se almacena en estados excitados. Se puede cargar en fracciones de segundo gracias a efectos cuánticos colectivos.