O que é o zero absoluto

O zero absoluto é a menor temperatura que se pode atingir no universo. Já falamos sobre essa teoria em outro post do blog e você pode ler clicando aqui. Estudando maneiras de atingir a temperatura mínima, conseguimos compreender melhor o nosso universo e os fenômenos que aqui ocorrem e, dentre as constantes pesquisas em termodinâmica – física que estuda o zero absoluto – descobriu-se que é matematicamente impossível atingir o zero absoluto. Continue lendo o post para saber por quê!

Conceito de Zero Absoluto

Criado em 1800 pelo físico William Thonsom, também conhecido por Lord Kelvin, o conceito de zero absoluto acontece quando um corpo apresenta ausência de energia, as moléculas ficam completamente paradas, ou seja, não há calor. Assim, temos o zero absoluto, definido como -273,15 °C, -459.67 °F ou 0 K – Kelvin, de Lord Kelvin.

Incoerência do fato, porque não se pode atingir o zero absoluto?

A tarefa de atingir o zero absoluto envolve ondas luminosas, ou seja, partículas que compõe a luz interagem com o corpo roubando sua energia. Energia essa, responsável pela movimentação das moléculas. Sem energia, sem movimento. E é aqui que se encontra a incoerência.

Ao interagir com o corpo, por menor que seja o contato, cria-se uma quantidade de calor. E havendo o mínimo de calor, é impossível atingir o zero absoluto.

Cálculos matemáticos concluíram que não existe um sistema capaz para chegar ao 0 K, tampouco é possível construir esse sistema. Dessa forma, pode-se chegar o mais próximo possível do zero absoluto, mas nunca alcançá-lo.

Esse estudo foi desenvolvido na University College London e você pode ver os detalhes aqui.

Quando o 0 K foi atingido

Acreditava-se que o zero absoluto jamais seria alcançado, até que a universidade alemã Ludwig Maximilian alcançou e ultrapassou o 0 K com um gás quântico com átomos de potássio.  Usando lasers e campos magnéticos, eles mantiveram os átomos individuais em um arranjo trançado. Em temperaturas positivas, os átomos se repelem, tornando a configuração estável, atingindo assim poucos bilionésimos de grau abaixo da marca do zero absoluto (-273,15° C).

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As medidas de temperatura estão muito presentes em nosso cotidiano, seja nas informações meteorológicas, seja nas informações sobre o estado de saúde de uma pessoa, etc. Não há um limite máximo de temperatura calculado, mas, por outro lado, existe um limite mínimo de temperatura, que é o chamado zero absoluto. Esse termo diz respeito à mínima temperatura possível para qualquer substância e corresponde a -273,15 °C.

Temperatura é a medida do grau de agitação molecular de um corpo, portanto, um elemento que esteja no zero absoluto, possui sua agitação molecular nula. Em 2013, físicos da Universidade de Ludwig Maximilian, em Munique, conseguiram fazer com que um gás feito de átomos de potássio chegasse a uma temperatura equivalente à do zero absoluto.

A história da definição do Zero Absoluto teve início em 1699 com o físico francês Guillaume Amontons, que mostrou a relação diretamente proporcional para a pressão e a temperatura de um gás em volume constante. Essa descoberta levou-o, em 1703, a sugerir a existência de uma temperatura mínima em que a agitação das moléculas de um corpo qualquer cessasse. As ideias de Amontons não foram bem aceitas pela comunidade científica e foram rapidamente esquecidas. Cientistas importantes, como Benjamin Thompson, chegaram a declarar que a busca pelo zero absoluto era perca de tempo. Outros disseram que essa ideia era quimérica.

Somente no século XIX, em 1848, o britânico William Thomson, conhecido como Lorde Kelvin, propôs a criação de uma escala absoluta de temperatura em que haveria o zero absoluto. Por meio de experimentação, Kelvin percebeu que, no resfriamento de um gás com volume constante, de 0°C para -1°C, a pressão diminuía cerca de 1/273,15 do valor inicial. Como a relação entre pressão e temperatura é diretamente proporcional, a temperatura deveria também ser diminuída por um valor de 273,15°C até o movimento molecular cessar. Portanto, o valor assumido por Kelvin foi o de -273,15 °C, sendo esse o zero absoluto.

O estudo de corpos com temperaturas muito baixas possui aplicações importantes na área da Física. Os supercondutores, por exemplo, são elementos que apresentam potencialização de sua condutividade elétrica com a diminuição da temperatura. Podemos citar também os eletroímãs utilizados em aceleradores de partículas, que precisam operar a temperaturas em torno de – 271 °C, valor próximo ao zero absoluto.

A imagem acima mostra os valores do zero absoluto nas três escalas usuais: Celsius, Fahrenheit e Kelvin.

Ouça este artigo:

Não existe um limite para a temperatura quando começamos a aquecer um material. Do estado sólido vai para o líquido, depois o gasoso, separa-se em moléculas, átomos, até chegar em uma nuvem de partículas eletrizadas, também chamada de plasma, encontrada no interior das estrelas, onde a temperatura é extremamente elevada. Contudo, há um limite para o resfriamento, é o zero absoluto! Situação em que a pressão é nula, a temperatura não pode diminuir mais e não se pode extrair mais nenhuma energia do material.

Zero absoluto é definido como a menor temperatura que um corpo pode estar no universo. É a temperatura na qual as moléculas do corpo tem energia cinética média nula (estão em repouso). Na teoria, seria o 0K (zero da escala Kelvin) ou -273,15º C, mas em laboratório, o máximo que se conseguiu foi de aproximadamente 0,000000000001K (ou 1 . 10-12 K).

Se o zero absoluto existisse no valor exato de 0, violaria o Princípio da Incerteza da mecânica quântica, que afirma a impossibilidade de medição, absolutamente precisa, da posição e velocidade simultaneamente. Isso aconteceria no caso do zero absoluto, pois seriam medidos a posição 0 e a velocidade 0 m/s, simultaneamente.

Outro exemplo de que o zero absoluto é inatingível pode ser notado no rendimento (η) de uma máquina de Carnot, dado pela equação:

η = 1 – Tfria /Tquente

onde, Tfria é a temperatura da fonte fria e Tquente a temperatura da fonte quente.

Se Tfria = 0K, ou seja, o zero absoluto, o rendimento será 100% (η = 1), situação em que a máquina térmica converte todo o calor em trabalho, algo impossível em um processo cíclico na termodinâmica.

A medida do zero absoluto foi obtida, em 1848, de uma proposta de Lord Kelvin (1824-1907) ao perceber que a pressão de um gás diminuía na razão de 1/273 do seu valor inicial, quando resfriado de 0ºC a -1ºC, com volume constante. Se no zero absoluto a pressão deve ser nula, pois sem energia cinética as moléculas estão em repouso, logo a temperatura também será, visto que ela registra o grau de agitação das moléculas.

É obtido o mesmo resultado ao manter a pressão constante e resfriar de 0ºC a -1ºC o corpo, onde o volume diminui na razão de 1/273 do valor inicial, chegando ao volume nulo no zero absoluto, o que é impossível.

Neste raciocínio, Kelvin concluiu, pela razão de 1/273 encontrada, que o zero absoluto seria a -273ºC, pois a razão está para a diferença de 1ºC.

São três os fenômenos notados em um corpo, quando próximo do zero absoluto:

supercondutividade: o corpo cria um campo magnético tão grande, que permite levitar um ímã;

superfluidez: devido a resistência mecânica ser quase nula, ele flui tão bem ao ponto de um líquido poder subir as paredes de um recipiente;

condensação de Bose-Einstein: o corpo vai se compactando, condensando, de uma forma que poderia se tornar um grande e único átomo. Observa-se este fenômeno nos processos de decaimento de temperaturas e mudanças de estado físico, em que o gás se torna líquido, o líquido se torna sólido, e, desta forma, o sólido tenderia a ter suas partículas cada vez mais unidas.

Referências bibliográficas:

HEWITT, Paul G., Física Conceitual – 9ª ed. – Bookman, 2008.

https://super.abril.com.br/mundo-estranho/o-que-e-zero-absoluto/
http://www2.if.usp.br/~eletivos/posters_2006/painel02.pdf
http://www.scielo.br/pdf/rbef/v28n1/a13v28n1.pdf

Zero absoluto, ou zero kelvin corresponde à temperatura de -273,15 °C ou -459.67 °F.

O conceito de zero absoluto foi criado pelo físico William Thonsom e ocorre quando um corpo não contém energia alguma, e suas moléculas estão paradas.

O conceito de zero absoluto corresponderia à temperatura mais baixa existente. Até bem pouco tempo, se acreditava que o zero absoluto jamais poderia ser alcançado.

No entanto, cientistas da universidade alemã Ludwig Maximilian foram capazes de alcançar e ultrapassar o zero absoluto. Essa proeza foi alcançada com a ajuda de lasers e campos magnéticos, através da criação de um gás quântico com átomos de potássio, alinhados adequadamente. Desta forma os cientistas verificaram que a temperatura do gás em questão estava alguns graus abaixo da temperatura conhecida como zero absoluto.

Com este avanço, cientistas acreditam que é possível criar novas formas de matéria. Contudo, os átomos que estiverem abaixo do zero absoluto não serão puxados pela gravidade, e passarão a flutuar.

Até bem pouco tempo a temperatura mais baixa verificada em toda a galáxia era encontrada na Nebulosa de Bumerangue, onde a temperatura mínima é -272º C.

O ramo da física que estuda o conceito de zero absoluto é a termodinâmica, que analisa as causas e os efeitos de mudanças na temperatura, pressão e volume. O zero absoluto faz parte dos princípios e das leis da termodinâmica. Zero absoluto ou zero kelvin, que se refere ao nome da unidade para a grandeza temperatura termodinâmica, utilizado para medir a temperatura absoluta de um objeto, com zero absoluto sendo 0 K.