Líquidos exóticos

Leopoldo García-Colín Scherer, Rosario Rodríguez Zepeda

• Editorial: Fondo de Cultura Económica
• Año: 2015
• ISBN:
  9786071631039
• Categoría: Naturwissenschaften
• Categoría: Physik

En Líquidos exóticos, Leopoldo García-Colín Scherer y Rosalío Rodríguez Zepeda describen los procesos físicos y la naturaleza de los estados intermedios de los líquidos, así como de las aplicaciones tecnológicas de estos llamados líquidos exóticos, como los superconductores o los cristales líquidos.

VI. Superfluidez

LOS FENÓMENOS que exhibe la materia a temperaturas bajas, es decir, a temperaturas cercanas al cero absoluto (−273.2 °C), son numerosos y diversos. A estas temperaturas las propiedades térmicas, eléctricas y magnéticas de muchas sustancias experimentan grandes cambios y, ciertamente, el comportamiento de la materia puede parecer extraño y exótico en comparación con el que muestra a temperaturas ordinarias. Sin duda, entre estos fenómenos los dos más extraordinarios e importantes son la superconductividad y la superfluidez. El primero ya lo hemos tratado en el capítulo anterior, en este capítulo examinaremos el segundo. Pero antes de decir en qué consiste y qué propiedades tiene la superfluidez, describiremos someramente las principales características del primer actor en este fenómeno: el elemento helio.

Después del hidrógeno, el helio es el elemento más ligero, tanto que tiende a subir a las capas superiores de la atmósfera, lo cual implica que cerca de la superficie terrestre es prácticamente inexistente. El aire ordinario sólo contiene alrededor de cinco partes de helio por millón de partes de aire. Pero si el helio es escaso en la atmósfera, aún lo es más en la corteza terrestre, la cual sólo contiene, aproximadamente, ¡ocho partes por mil millones! Además, como el helio forma muy pocos compuestos químicos, rara vez se le encuentra combinado con otros elementos en líquidos o sólidos. Y, sin embargo, a pesar de ser tan escaso en la Tierra, abunda en el Universo, del cual constituye 23% de su masa.

Precisamente debido a su escasez natural en la Tierra, el helio fue descubierto por primera vez en el Sol. La evidencia inicial de su existencia se produjo al analizar la luz emitida por el Sol durante un eclipse solar en 1868. Se detectaron ciertas líneas espectrales en la región amarilla del espectro, las cuales se identificaron, tres años más tarde, como producidas por un nuevo elemento al que se llamó helio, que en griego significa Sol. No obstante, a pesar de ser tan escaso y de las enormes dificultades que supuso su licuefacción, el helio ha sido el líquido más estudiado después del agua.

El núcleo del átomo de helio contiene dos protones, es decir, su número atómico es dos, pero puede contener de uno a seis neutrones, hecho que da lugar a la existencia de seis diferentes isótopos del helio. Al número de protones y neutrones del núcleo se le llama número de masa, de modo que este número, en los isótopos del helio, varía entre 3 y 8. Sin embargo, sólo los isótopos con números de masa 3 y 4 son estables, los restantes son inestables, lo que significa que sus núcleos son radiactivos, emiten partículas, y al hacerlo se convierten rápidamente en otros elementos. El isótopo helio-4 (⁴He) es, relativamente, mucho más abundante que el helio-3 (³He), tanto en la atmósfera como en la corteza terrestre.

El helio tiene propiedades a la vez extrañas y fascinantes. Por ejemplo, su comportamiento frente a los cambios de temperatura es completamente diferente del de los demás elementos. En efecto, observamos repetidamente que si la temperatura de un gas se reduce de manera tal que su presión se mantenga siempre igual a la presión atmosférica durante este proceso de enfriamiento, entonces el gas se convierte en líquido. Más aún, si el líquido continúa enfriándose se convierte finalmente en sólido. Esta secuencia de transformaciones o cambios de fase ha sido bien establecida experimentalmente y ha hecho posible la licuefacción de muchos gases y la solidificación de los correspondientes líquidos. Al respecto, ha sido necesario inventar y desarrollar nuevos métodos y técnicas de refrigeración a fin de producir las temperaturas cada vez más bajas necesarias para licuar los diferentes gases. Una breve relación de las etapas de esta jornada hacia las bajas temperaturas se muestra en la tabla VI.1, en la que se indica el logro obtenido y la temperatura alcanzable en cada etapa hasta 1960. Ahora bien, el helio no sigue la secuencia de cambios que acabamos de describir, es una excepción a la regla. Se observa, en cambio, que si la presión se mantiene igual a la presión atmosférica ambiente, el gas helio se licúa a 4.2 K pero no se convierte en sólido sin importar cuánto se disminuya su temperatura. En otras palabras, si bajo estas condiciones fuera posible alcanzar el cero absoluto, observaríamos que el helio nunca se congela, que siempre permanece en su fase líquida. Ésta es su propiedad más importante pues, como veremos, da lugar a la superfluidez y a otros efectos espectaculares asociados a ella.

TABLA VI.1. La jornada de cien años hacia el cero absoluto

La licuefacción del helio fue lograda por el gran físico holandés Heike Kamerlingh Onnes, el 10 de julio de 1908, en el Laboratorio de Bajas Temperaturas de la Universidad de Leyden, Holanda. Fue un gran logro, pues de hecho inició el desarrollo de la física y la ingeniería de bajas temperaturas o criogenia. Además, permitió a Kamerlingh Onnes descubrir, en el mismo año, el fenómeno de la superconductividad, o flujo de electrones sin fricción que, como ya vimos en el capítulo anterior, implica la desaparición de la resistencia eléctrica de un metal. Pero, además de los nuevos fenómenos y las múltiples aplicaciones prácticas a que dio lugar el comportamiento singular del helio, es importante señalar que precisamente las características de tal comportamiento constituyen la primera indicación de que las propiedades del helio sólo podrían entenderse utilizando conceptos diferentes de los que hasta entonces se habían empleado para explicar las propiedades de otros líquidos menos exóticos. Pero, antes de discutir estos conceptos, describamos las propiedades sorprendentes e insólitas que exhibe el helio.

En el mismo Laboratorio de Bajas Temperaturas de Leyden, en 1932, los físicos holandeses Willem Hendrik Keesom y su hermana A. P. Keesom descubrieron que si después de licuar el helio se le enfría hasta 2.19 K pero manteniendo su presión igual a la atmosférica, el isótopo helio-4 sufre una transición de fase, pero no a una fase sólida, sino a una nueva fase líquida. A esta transición de fase se le llama el punto lambda, porque cuando se grafica el calor específico C_s del helio, que representa la cantidad de calor necesario para elevar su temperatura un grado, contra la temperatura T, se encuentra que la curva se parece a la letra griega λ, según se muestra en la figura VI.1.

A este nuevo estado se le llama helio-II, para distinguirlo del helio ordinario, helio-I, que existe a temperaturas superiores a 2.19 K. Para evitar confusiones resumamos la situación: el helio-4 puede hallarse en el estado líquido helio-I a temperaturas entre 4.2 K y 2.19 K; a temperaturas inferiores alcanzará el nuevo estado líquido helio-II. Toda esta información puede expresarse de manera muy compacta y sencilla en términos del diagrama de fases del helio, mostrado en la figura VI.2, y que evidencia cómo se comporta la presión en función de la temperatura e indica para qué valores de estas cantidades puede el helio exhibir sus fases gaseosa, líquida e inclusive sólida, pues efectivamente el helio puede solidificarse, pero sólo a presiones mayores de 25 atmósferas. Con la restricción de mantener la presión igual a una atmósfera, como mencionamos antes, el diagrama indica que efectivamente el helio sólo puede ser líquido.

FIGURA VI.1. El punto lambda a 2.2 K marca la transición de helio líquido normal a superfluido. En este punto el calor específico decrece abruptamente.

FIGURA VI.2. El diagrama de fases del helio.

En cambio, el isótopo helio-3 únicamente puede existir en el estado líquido helio-I, al menos para temperaturas mayores de 0.1 K. Sin embargo, en 1972 se descubrió que el isótopo ³He tiene propiedades superfluidas a sólo unas milésimas de grado por encima del cero absoluto. Pero es el estado líquido helio-II el que muestra propiedades únicas.

Los hermanos Keesom y sus colaboradores también descubrieron, en 1935, que el helio-II era un extraordinario conductor de calor: observaron que si un tubo capilar se llenaba con helio-II, ¡el calor se transportaba de un lado al otro del capilar 200 veces más rápido que en un alambre de cobre a la temperatura ambiente! Fue precisamente el tratar de explicar esta sorprendente capacidad del helio para conducir calor lo que llevó al gran físico ruso Piotr Leonídovich Kapitza a descubrir la superfluidez en 1937, en el Instituto de Problemas Físicos de Moscú. Kapitza sospechaba que la extraordinaria conductividad térmica del helio-II no era la conductividad térmica ordinaria que se usa, por ejemplo, para describir la conducción de calor por un metal. Más bien, Kapitza creía que la gran conductividad del helio se debía a que el helio se movía en el capilar, es decir, a que existía un flujo. Pero si esta conjetura era correcta, implicaba que el helio-II debía fluir con una extraordinaria facilidad y, por lo tanto, según hemos visto en capítulos anteriores, su viscosidad o resistencia interna al flujo sería forzosamente muy baja o nula. Es decir, que el helio-II debía ser un “superfluido”. Para probarlo Kapitza realizó el experimento esquematizado en la figura VI.4, que muestra una pequeña rendija entre dos placas de vidrio sumergidas en un recipiente que contiene helio. El espesor de la rendija o “capilar” es pequeñísimo, aproximadamente de medio micrón, que es igual a la mitad de la millonésima parte de un metro.

FIGURA VI.3. Piotr L. Kapitza.

FIGURA VI.4. El experimento de Kapitza.

Kapitza observó que en el estado helio-I el helio no fluía a través del capilar, mientras que el helio-II pasaba por él rápidamente igualando los niveles del líquido en el tubo capilar y en el recipiente. Midiendo este tipo de efecto, Kapitza llegó a la sorprendente conclusión de que la viscosidad del helio-II era muy pequeña, menor que una diezmilésima parte de la viscosidad del hidrógeno gaseoso. Es decir, que para todo propósito práctico la viscosidad del helio-II es nula y, por lo tanto, se comporta como un fluido ideal. Para describir esta propiedad del helio-II, Kapitza acuñó el nombre de superfluidez.

Esta cualidad del helio-II de poder encontrarse en sitios en donde el helio-I no puede ...

Índice

• Portada
• Introducción
• I. El misterioso flujo de los líquidos poliméricos
• II. Fluidos multifásicos
• III. Cristales líquidos
• IV. Líquidos sobreenfriados y vidrios
• V. Los superconductores
• VI. Superfluidez