En la escala atomica de las cosas, bajas temperaturas significan orden, y altas temperaturas, desorden. En cualquier sustancia, en un volumen dado, los atomos estan mas ordenados a una baja temperatura que a una mas alta. De modo que, si queremos usar algo como refrigerante, debemos encontrar la forma de introducir orden en las estructuras atomicas. La forma mas natural de realizar esto es comenzar con algo que al principio, este muy desordenado. Algo adecuado seria un gas, ya que sus atomos se desplazan al azar, en forma muy desordenada.

Si tomamos un poco de gas en un cilindro aislado y lo comprimimos empujando el piston, podriamos pensar que aumentamos el orden atomico, ya que es indudable que  hemos forzado a los atomos a estar mas juntos.

 

Pero no es asi. Cuando se presiona el piston de este cilIndro aislado, no solo acercamos a los atomos entre si, sino que tambien les proporcionamos mas energia que proviene del trabajo realizado al empujar el piston en contra de la presion del gas. A pesar de que los atomos del gas estan mas juntos, al mismo tiempo se desplazan de un lado para otro mucho mas violentamente que antes. Concretamente, hemos elevado la temperatura del gas al comprimirlo. Podemos demostrar que, hasta ahora, no estamos en una situacion mucho mejor que la anterior; el aumento de orden logrado por el acercamiento de los atomos se ha compensado con el aumento del desorden, debido a que ahora se mueven de un lugar a otro mucho mas violentamente. En realidad, como se puede apreciar, lejos de disminuir la temperatura, la hemos aumentado! Si el gas que se encuentra en el cilindro es aire que estaba a la temperatura ambiente (digamos 20°C), al presionar con el piston hasta la mitad, la temperatura sube hasta casi 115°C.

Supongamos ahora que, en vez de mantener el cilindro aislado, y mientras seguimos empujando el piston, hacemos circular agua fria alrededor de la parte exterior del cilindro, enfriando de nuevo el gas a la temperatura ambiente. Hecho esto, el gas por cierto estaramas ordenado que antes, ya que ahora los atomosse mueven casi con la misma velocidad que al principio (pues hemos vuelto la temperatura a su valor inicial mediante una camisa de agua) ; por otra parte, los atomos estan mucho mas cerca entre si que al comienzo. En resumen, hemos aumentado el orden atomico del gas, o sea, y hablando tecnicamente, hemos reducido la entropia.

Si somos lo suficientemente inteligentes, podemos usar ahora este aumento en el orden ( o entropia reducida) para lograr una temperatura mas baja del gas. Aislamos el cilindro otra vez, y dejamos que el piston retorne a la posicion en que estaba al comenzar todo este experimento, permitiendo asi la expansion del gas. Ya que esta vez hemos mantenido el cilindro

aislado, podemos suponer en contra nuevamente que durante este segundo proceso no se producira ningun cambio en el orden total(o desorden)atomico del gas.Es cierto que ocupa de nuevo mas espacio,de modo que en esta forma esta mas desordenado;pero para llegar a esto,cada atomo debe perder algo de su energia cinetica y por ello se mueve con mas pereza.

De hecho, pierden su energia cinetica al empujar el piston en lugar nuestro. Lo que logramos con todo esto es que el gas estar mucho mas frio que al principioSi volvemos al ejemplo de un cilindro con aire, este estaria ahora idealmente enfriado a unos - 50°C.

 

Por ultimo, si transformamos todo este sistema en un ciclo regular mediante algun tipo de maquina, entonces este proceso repetido sera uno de los metodos mas importantes para lograr bajas temperaturas.

Si hubiesemos comenzado la operacion de enfriamiento con gas amoniaco, es muy posible que llegariamos a licuar el gas directamente, usando un ciclo continuo de este tipo. El amoniaco gaseoso se licua a unos -30°C, y seria muy facil llegar a esta caida de temperatura, aun en una maquina real que tuviera perdidas de calor, ademas de otros defectos.

Pero si lo que deseamos es licuar un poco de aire, para lo cual necesitamos descender a temperaturas tales , como -190°C, no es dificil ver que seria necesario

hacer una maquina con ciclos sucesivos. Por ejemplo, podemos empezar enfriando o licuando, primero un gas, y luego usar esta etapa para enfriar otro gas y seguir de este modo si es necesario. y ¿hasta donde podremos llegar con este proceso? Bien, presumiblemente, por lo menos en teoria, podriamos continuar hasta haber licuado o solidificado todas las sustancias. Para comprender como puede suceder esto debemos pensar un poco mas por que una sustan- cia se Iicua a una temperatura y otras,a temperatura distinta.