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Perguntinha rápida: existe um limite superior e inferior para a temperatura?

Steve Miller - 30/07/2007

Zero absoluto

A maioria das pessoas já ouviu falar do zero absoluto como sendo a menor temperatura possível.

Mas o que exatamente isto significa? Ela é realmente a temperatura mais fria ou apenas a menor temperatura que nós somos capazes de medir? Há uma correspondente temperatura mais alta possível? Segundo Moses Chan, professor de física da Universidade Penn State, nos Estados Unidos, responder a essas questões exige que se entenda exatamente o significado de temperatura.

"Temperatura é uma medida do grau de desordem ou 'bagunça' de um sistema," explica o professor Moses Chan, da Universidade da Pensilvânia, Estados Unidos. "Quando um sistema é resfriado até o zero absoluto, então aquele sistema está perfeitamente ordenado e todos os seus constituintes - átomos e moléculas - estão no seu devido lugar. Esta é a temperatura mais baixa possível."

Esta temperatura mais baixa possível, chamada de zero absoluto ou 0 Kelvin, corresponde a -273.16º C.

Superrefrigerador integrado em microchip aproxima-se do zero absoluto

Energia do ponto-zero

Antes que a mecânica quântica fosse desenvolvida como um modelo para explicar o comportamento das partículas atômicas e subatômicas, os cientistas acreditavam que todos os átomos parariam de se movimentar quando atingissem o zero absoluto. Entretanto, mesmo nessa temperatura, os átomos e as moléculas retêm o que é chamado de energia do ponto-zero, a menor energia possível que um sistema pode ter.

Como explica o professor Chan, a energia no vácuo do espaço é considerada uma forma de energia do ponto-zero. Também descrito como terra ou estado estacionário, o zero absoluto é considerado um estado estável do qual nenhuma energia pode ser removida.

Supercondutores e super-fluidos

"A baixas temperaturas," continua Chan, "os efeitos da mecânica quântica dominam as propriedades de toda a matéria." Em alguns materiais, o efeito é verdadeiramente espetacular. A temperaturas suficientemente baixas, por exemplo, alguns tipos de matéria se tornam supercondutoras, transportando corrente elétrica com absolutamente nenhuma resistência. Aplicações práticas desse fenômeno incluem os enormes campos magnéticos dos equipamentos de ressonância magnética e motores e transformadores extremamente eficientes.

Outro vívido exemplo dos efeitos quânticos pode ser encontrado no hélio líquido. Quando o hélio líquido se torna um superfluido, a temperaturas abaixo de 2,176 K, lembra o professor Chan, ele pode fluir sem fricção. A falta de atrito significa que o superfluido não tem viscosidade. Se uma gota de superfluido é posta em rotação no interior de um recipiente, ela pode continuar a girar para sempre, como se estivesse em um vácuo. Para Chan, esses são exemplos de fenômenos quânticos macroscópicos - a mecânica quântica funcionando em escala macroscópica.

Condensado de Bose-Einstein

Nos anos 1920, os físicos Satyendra Bose e Albert Einstein previram que, a temperaturas muito baixas, partículas como os átomos vão se aglomerar com exatamente o mesmo estado quântico de menor energia possível. Esse estado da matéria é conhecido como Condensado de Bose-Einstein (BEC, na sigla em inglês: Bose-Einstein Condensate).

Esse fenômeno foi finalmente observado em laboratório em 1995, resfriando-se átomos de rubídio na fase vapor até a temperatura de 50 nanoKelvins acima do zero absoluto. Os físicos que fizeram o experimento, Carl Weiman e Eric Cornell, ganham o Prêmio Nobel de Física por isto. A imagem mostra a formação de um condensado de Bose-Einstein em átomos de rubídio.

Super-sólidos

A própria pesquisa com temperaturas muito baixas do Dr. Chan alcançou outro importante avanço em 2004. "Meu ex-orientando, Eunseong Kim, descobriu que o hélio sólido também apresenta propriedades do tipo superfluido abaixo de 0,2 K," explica ele. "A descoberta dessa fase super-sólida indica que todos os três estados da matéria - vapor, líquido e sólido - podem se tornar BEC."

Fenômenos de super-sólidos atraíram o interesse de físicos teóricos e pesquisadores de baixas temperaturas em todo o mundo. Chan e seus atuais estudantes - Tony Clark, Xi Lin e Josh West - continuam o esforço para entender essa descoberta fascinante.

Quente infinito

E então, há um equivalente de alta temperatura para o zero absoluto? Quando um material se torna muito quente, suas partículas têm quantidades enormes de energia termal, diz Chan. Os sólidos se fundem e os líquidos vaporizam porque sua energia termal supera a força que mantém juntos seus átomos e moléculas. A temperaturas ainda mais altas, os átomos se dissociam em elétrons e plasma de íons, por é sua vez um outro estado da matéria. À medida que mais energia for adicionada ao sistema, sua temperatura continua a subir.

"No sentido de que há um limite para a energia total que existe no universo, há uma temperatura mais alta possível," diz Chan. Os cosmologistas postulam que, ao redor de 10^-43 segundos, uma fração inimaginável de instante após o Big Bang, a temperatura do universo nascente era de 10³² K. Se você começar uma viagem para a galáxia mais distante da Terra, 10^-43 representa o primeiro bilionésimo de milímetro que você irá viajar. Mesmo o centro do Sol hoje, com 15 milhões de graus centígrados, é gelado em comparação com essa temperatura.

Temperatura inatingível

É claro que nós nunca poderemos usar toda a energia do universo, de forma que a mais alta temperatura possível não é atingível. Mas poderíamos então experimentar pelo menos o outro extremo da escala, o zero absoluto? "Não, nós podemos chegar muito perto, mas nunca ao zero absoluto," explica Chan.

"Alguns laboratórios, incluindo o nosso aqui na Universidade da Pensilvânia, podem resfriar amostras de vapor até uns poucos nanoKelvins, ou bilionésimos de grau. Mas para trazer algo para uma ordem perfeita, você tem que se livrar de toda a desordem. À medida que o sistema se aproxima do zero absoluto, torna-se mais e mais difícil remover a desordem."