Un profesor de la Universidad de Sevilla corrige una idea de Einstein y resuelve un problema de 120 años

El teorema de Nernst -una observación experimental de carácter general presentada en 1905 que establece que los intercambios de entropía tienden a cero cuando la temperatura tiende a cero- ha sido vinculado directamente con el segundo principio de la termodinámica en un trabajo publicado en la revista The European Physical Journal Plus, cuyo único autor es el profesor Martín Olalla.

Además de resolver un problema planteado hace 120 años, la demostración supone una ampliación de las consecuencias vinculadas con el segundo principio de la termodinámica -el principio que establece el aumento de la entropía del universo-.

El problema del teorema de Nernst surgió a principios del siglo XX cuando se estudiaron las propiedades generales de la materia en temperaturas próximas al cero absoluto (273 grados bajo cero). Walther Nernst obtuvo el premio Nobel de Química en el año 1920 por estos estudios.

Como explicación de sus resultados, Nernst sostuvo que el cero absoluto tenía que ser inaccesible porque, de lo contrario, sería posible construir una máquina que, usando el cero absoluto como refrigerante, convirtiera todo el calor en trabajo, lo que iría en contra del principio de aumento de la entropía. Así dio por probado su teorema en 1912.

Inmediatamente después, Einstein refutó esta demostración señalando que esa máquina hipotética no se podría construir en la práctica y, por tanto, no podría cuestionar la validez del principio de aumento de la entropía. Así, Einstein desvinculó el teorema del segundo principio de la termodinámica y lo asoció a un tercer principio, independiente del segundo. Esta idea es ahora rebatida.

En la demostración presentada, el profesor Martín Olalla introduce dos matices que «fueron omitidos por Nernst y Einstein», el formalismo del segundo principio de la termodinámica obliga, de una parte, a la existencia de la máquina que imaginó Nernst, y, de otra parte, impone que esa máquina sea virtual; la máquina no consume ningún calor, no produce ningún trabajo, y no cuestiona el segundo principio.

La concatenación de ambas ideas permite «concluir que los intercambios de entropía tienden a cero cuando la temperatura tiende a cero (que es teorema de Nernst) y que el cero absoluto es inaccesible«, han detallado desde la US.

Martín Olalla ha señalado que «un problema fundamental en termodinámica es distinguir la sensación de temperatura, las sensaciones de caliente y frío, del concepto abstracto de temperatura como magnitud física».

En la discusión entre Nernst y Einstein, la temperatura fue solo un parámetro empírico, la condición de cero absoluto se representaba por la condición de que la presión o el volumen de un gas se hacían cercanos a cero. Formalmente, el segundo principio de la termodinámica proporciona una idea más concreta de qué es el cero natural de la temperatura. «La idea no está relacionada con ninguna sensación, sino con esa máquina que imaginó Nernst pero que tiene que ser virtual. Esto cambia radicalmente el abordaje de la demostración del teorema«, ha añadido.

En el estudio se señala que la única propiedad general de la materia cerca del cero absoluto que no puede relacionarse con el segundo principio de la termodinámica es la anulación de las capacidades caloríficas, también compilada por Nernst en 1912. Sin embargo, Martín Olalla propone una formalización distinta «el segundo principio contiene la idea de que la entropía es única en el cero absoluto. La anulación de los calores específicos solo añade que ese valor único es cero. Parece más una apostilla, importante, que un nuevo principio».

Finalmente, el profesor de la Universidad de Sevilla ha señalado que la publicación de este artículo es un primer paso para la aceptación de este novedoso punto de vista, «los alumnos del curso de Termodinámica que imparto fueron los primeros en conocer esta demostración. Espero que con esta publicación la demostración sea más conocida, pero sé que el mundo académico tiene una gran inercia».