Hay leyes en la física que parecen grabadas en piedra. La ley de Kirchhoff de la radiación, formulada en 1859, es una de ellas. Define cómo los cuerpos emiten y absorben calor en forma de radiación. Para generaciones de estudiantes, ha sido una verdad incuestionable: todo objeto en equilibrio térmico emite tanto como absorbe, en cada dirección y longitud de onda. Pero un nuevo experimento llevado a cabo en la Universidad Estatal de Pensilvania podría cambiar esa percepción para siempre.
Un grupo de ingenieros ha conseguido, por primera vez con tanta claridad, romper esta simetría térmica en condiciones reales, observando diferencias medibles entre emisión y absorción en un material diseñado a medida. El avance no solo reescribe un principio clásico de la física, sino que plantea una revolución tecnológica: dispositivos más eficientes para captar energía solar, transferir calor y desarrollar sensores infrarrojos más precisos.
¿Qué dice exactamente la ley de Kirchhoff?
La ley de Kirchhoff de la radiación térmica indica que la emisividad (ε, capacidad de emitir radiación) y la absorptividad (α, capacidad de absorberla) de un cuerpo deben ser iguales si el cuerpo está en equilibrio térmico. Es decir, un buen emisor es también un buen absorbente en cualquier frecuencia y ángulo. En su sentido más amplio y no aplicado a la astrofísica, la expresión general sería:
La λλ representa la longitud de onda de la radiación electromagnética. Con esto indicamos que la emisividad y la absorptividad dependen tanto de la longitud de onda como de la temperatura del cuerpo. Un material puede comportarse como un buen emisor en ciertas longitudes de onda y como un mal emisor en otras.
Este principio ha sido fundamental para comprender cómo se comporta la luz térmica y ha tenido aplicaciones clave en el diseño de células solares, detectores infrarrojos, aislantes térmicos y más. Pero hay una condición: debe cumplirse el equilibrio termodinámico. Si este se rompe de forma controlada, la reciprocidad también puede romperse.
Como recoge el artículo científico, “en un sistema verdaderamente recíproco, el contraste esperado entre emisividad y absorptividad sería cero”. En el experimento de Penn State, sin embargo, este contraste alcanzó un valor de 0,43, el más alto registrado hasta la fecha.
El diseño del experimento
El avance fue posible gracias a un material compuesto por cinco capas semiconductoras, cada una con ligeras variaciones en su composición. Esta estructura multicapa permite que la radiación térmica tenga múltiples picos de resonancia en el rango infrarrojo. Así, la emisión no solo es fuerte, sino que ocurre en una banda ancha de longitudes de onda.
Los investigadores destacaron que su diseño es especialmente delgado y adaptable. Como explican en el artículo, “nuestro material tiene un grosor total de unos dos micrómetros, más delgado que un cabello humano”, lo que permite integrarlo fácilmente en otros dispositivos. Esto lo hace ideal para aplicaciones en paneles solares, detectores térmicos o sistemas de refrigeración.
Además, el equipo desarrolló un espectrofotómetro térmico con resolución angular y magnética, que permitió medir con alta precisión las emisiones térmicas del material bajo distintas condiciones. Este instrumento fue clave para confirmar la ruptura de la reciprocidad en la emisión térmica, algo que hasta ahora se había logrado solo de forma marginal.
Implicaciones tecnológicas
Uno de los grandes desafíos en la energía solar es la pérdida de eficiencia debida a la reemisión térmica. Una célula solar no convierte en electricidad toda la energía que recibe, y parte de esa energía se escapa en forma de radiación, tal como lo exige la ley de Kirchhoff. Sin embargo, si la emisión puede dirigirse a otra célula o ser reaprovechada, la eficiencia podría aumentar notablemente.
Según explican los autores, “si tenemos emisores no recíprocos, podemos enviar la emisión en otra dirección”, y “colocar allí otra célula solar para absorber esa parte de la energía, aumentando la eficiencia”. Este enfoque, hasta ahora solo teórico, podría llevar a sistemas fotovoltaicos más cercanos a los límites termodinámicos ideales.
Pero las aplicaciones van más allá de la energía solar. Esta tecnología también puede ser utilizada para crear sensores térmicos más precisos, sistemas de gestión de calor más eficientes, o incluso dispositivos de ocultamiento térmico. En todos estos campos, la posibilidad de controlar la dirección y la intensidad de la radiación abre una nueva era en la ingeniería térmica.
El lugar de Kirchhoff en la historia
Gustav Kirchhoff formuló su ley tras observar que un cuerpo que absorbe bien la radiación, también la emite bien. En su formulación original, propuso que “la relación entre el poder emisivo y la capacidad de absorción es una función universal de la temperatura y la longitud de onda”. Fue una idea fundamental que allanó el camino para el desarrollo de la teoría cuántica de la radiación, culminando en la ley de Planck en 1900.
Durante más de un siglo, esta ley ha sido la base de modelos de radiación en física, ingeniería térmica y astrofísica. Sin embargo, como señalan los autores del nuevo estudio, las condiciones necesarias para que la ley de Kirchhoff se mantenga no siempre se dan en los sistemas reales. Y eso es precisamente lo que han aprovechado.
La importancia de este experimento no radica solo en romper una ley clásica, sino en haberlo hecho de forma útil, medible y controlada, abriendo puertas a nuevas tecnologías. La historia de la ciencia está llena de principios que, al ser desafiados, dieron paso a nuevos descubrimientos. Esta podría ser una de esas ocasiones.
De Kirchhoff a Planck: cuando la radiación térmica dio origen a la física cuántica
También es importante recordar que la ley de Kirchhoff no incluía una fórmula específica para la radiación térmica. Kirchhoff postuló la existencia de una función universal que describía cómo debía comportarse un cuerpo negro, pero no sabía cuál era esa función. Esa tarea la asumiría años después Max Planck.
Fue precisamente al intentar encontrar esa fórmula que Planck propuso algo completamente nuevo para su época: que la energía se emitía en cantidades discretas, o “cuantos”. Con esa hipótesis —que la energía de la radiación era proporcional a su frecuencia (E=h⋅ν)—, logró deducir la famosa ley de Planck, que describe con precisión la radiación del cuerpo negro. Ese paso marcó el nacimiento formal de la teoría cuántica.
Lo que tienes que saber sobre radiación térmica de Kirchhoff
- La ley de Kirchhoff establece que un cuerpo en equilibrio térmico emite tanto como absorbe en cada longitud de onda.
- Esta simetría, llamada reciprocidad, ha sido la base para diseñar dispositivos térmicos y ópticos.
- Un nuevo experimento ha demostrado una fuerte violación de esta ley en condiciones bien controladas.
- El hallazgo podría mejorar la eficiencia de las tecnologías solares, permitiendo aprovechar energía que hoy se pierde.
- La clave está en materiales que emiten calor en una sola dirección, algo antes solo teórico.
Referencias
- Zhenong Zhang, Alireza Kalantari Dehaghi, Pramit Ghosh, Linxiao Zhu. Observation of Strong Nonreciprocal Thermal Emission. Preprint en arXiv (2025). Aceptado en Physical Review Letters. DOI: 10.48550/arxiv.2501.12947.
- Gustav Kirchhoff. Untersuchungen über das Sonnenspectrum und die Spectren der chemischen Elemente. Annalen der Physik, 1860. DOI: 10.1002/andp.18601830502.
Cortesía de Muy Interesante
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