Andalucía
Física

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

José María Martín Olalla ha demostrado que el teorema de Nernst está vinculado al segundo principio de la termodinámica

El profesor de la Universidad de Sevilla (US) José María Martín Olalla ha resuelto un problema que llevaba 120 años sin solución en el campo de la termodinámica. Lo ha hecho en un artículo publicado en la revista The European Physical Journal Plus, donde plantea una nueva interpretación del llamado teorema de Nernst, una ley formulada en 1905 que relaciona la entropía con el comportamiento de la materia a temperaturas cercanas al cero absoluto.

Este trabajo, del que Martín Olalla es único autor, corrige una idea propuesta por Albert Einstein en 1912 y devuelve al teorema de Nernst su vínculo original con el segundo principio de la termodinámica, que establece que la entropía del universo tiende a aumentar.

A comienzos del siglo XX, el químico alemán Walther Nernst –premio Nobel en 1920– formuló su teorema basándose en observaciones experimentales: cuando la temperatura tiende a cero, los intercambios de entropía también tienden a desaparecer. Para justificarlo, Nernst propuso una máquina hipotética que, si el cero absoluto fuera alcanzable, podría convertir todo el calor en trabajo, violando el segundo principio de la termodinámica. Según él, esto demostraba que el cero absoluto debía ser inalcanzable.

Sin embargo, Einstein refutó esta interpretación. Alegó que esa máquina no podría construirse en la práctica y, por tanto, no servía como prueba contra el principio de aumento de la entropía. A partir de ahí, Einstein desligó el teorema de Nernst del segundo principio de la termodinámica y lo vinculó a un supuesto «tercer principio» independiente.

Ahora, Martín Olalla retoma la hipótesis original de Nernst pero introduce dos matices fundamentales. Por un lado, argumenta que el formalismo del segundo principio obliga a aceptar la existencia de la máquina hipotética. Por otro, subraya que esa máquina debe ser virtual, es decir, que no produce trabajo ni consume calor, y que no pone en cuestión el segundo principio.

Según la Universidad de Sevilla, la combinación de ambas ideas permite concluir que «los intercambios de entropía tienden a cero cuando la temperatura tiende a cero (teorema de Nernst) y que el cero absoluto es inaccesible».

Martín Olalla ha subrayado que uno de los problemas «fundamentales» de la termodinámica es «distinguir la sensación de temperatura, las sensaciones de caliente y frío, del concepto abstracto de temperatura como magnitud física».

En la disputa entre Nernst y Einstein, recuerda, se usaban parámetros empíricos como el volumen o la presión de los gases para aproximarse al cero absoluto. Sin embargo, el segundo principio de la termodinámica ofrece una base más sólida para entender ese «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», explica.

En su trabajo, Martín Olalla también aborda otra propuesta de Nernst: que las capacidades caloríficas tienden a anularse cerca del cero absoluto. Aunque reconoce su importancia, considera que esta idea no constituye un nuevo principio, sino una consecuencia adicional: «El segundo principio contiene la idea de que la entropía es única en el cero absoluto. La anulación de los calores específicos sólo añade que ese valor único es cero. Parece más una apostilla importante que un nuevo principio».

Finalmente, el profesor sevillano reconoce que la aceptación de este nuevo enfoque será lenta: «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».