Primeira Lei da Termodinâmica tem atualização histórica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 24/02/2023

Este é um plasma de argônio, usado em experimentos científicos, mas os plasmas estão presentes na indústria, nas estrelas e por todo o Universo.
[Imagem: Brian Persinger/WVU]

Lei da conservação de energia

Depois de provarem que não existe uma "segunda lei da termodinâmica quântica", físicos agora fizeram uma ampliação histórica no alcance da primeira lei da termodinâmica, também conhecida como "lei de conservação de energia".

"Não existem muitas leis da física - as leis de Newton, as leis da eletricidade e do magnetismo, as três leis da termodinâmica e as leis da mecânica quântica," comentou o professor Duncan Lorimer, da Universidade Oeste da Virgínia, nos EUA. "Pegar uma dessas leis, que existe há mais de 150 anos, e melhorá-la é uma grande conquista."

A primeira lei da termodinâmica afirma que a energia não pode ser criada nem destruída, mas pode ser convertida em diferentes formas. E isso lhe dá um aspecto prático difícil de exagerar, explicando desde a ascensão de balões de ar quente até as geladeiras e os motores de carros.

Apesar dessa amplitude, essa lei só é válida para sistemas nos quais a temperatura pode ser adequadamente definida, algo que os físicos chamam de estado de equilíbrio. Por exemplo, quando combinados, um copo de água fria e um copo de água quente acabarão por atingir uma temperatura média - esta temperatura é o equilíbrio. No entanto, enquanto a água quente e a água fria ainda não atingiram esse ponto final, a mistura está fora de equilíbrio e, portanto, "fora da lei".

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Sistemas fora de equilíbrio

Acontece que há muitas coisas por aí fora do equilíbrio, e isto tem gerado um esforço, que já dura mais de um século, para tentar expandir a primeira lei da termodinâmica para materiais comuns fora do equilíbrio. Houve algum progresso, mas essas versões expandidas da teoria só funcionam quando o sistema está quase no equilíbrio - no nosso exemplo, quando as porções quente e fria da água estão quase completamente misturadas.

Mas ninguém até hoje havia conseguido colocar dentro da lei coisas que estão muito distantes do equilíbrio, como os plasmas, presentes na indústria, nos equipamentos médicos e, de fato, por todo o Universo, sendo essenciais nos cálculos de inúmeras áreas da astrofísica, da cosmologia ou das previsões do clima espacial.

Paul Cassak e Hasan Barbhuiya conseguiram: Eles generalizaram a primeira lei da termodinâmica para sistemas que não estão em equilíbrio.

"Nós fizemos um cálculo com lápis e papel para descobrir quanta energia está associada à matéria que não está em equilíbrio, e [o cálculo] funciona esteja o sistema perto ou longe do equilíbrio," contou Cassak.

Esta é a atualização da primeira lei da termodinâmica - "um cálculo de papel e lápis", como disseram seus autores.
[Imagem: Paul A. Cassak et al. - 10.1103/PhysRevLett.130.085201]

Amplo impacto

As novas equações desenvolvidas pela equipe representam um marco para a teoria, mas a pesquisa tem inúmeras aplicações potenciais.

O plasma, conhecido como quarto estado da matéria, é como um gás que esquentou tanto que todos os seus átomos constituintes se desmancharam, deixando para trás uma confusão superaquecida de partículas subatômicas.

Se você pensou em uma estrela, acertou em cheio, mas o plasma está por toda parte, dos ambientes astrofísicos e relâmpagos nas tempestades até o interior dos reatores de fusão nuclear, passando por inúmeras aplicações tecnológicas, como nas soldagens de metais ou na previsão de como as tempestades solares afetarão os satélites e as telecomunicações.

"O resultado representa um grande passo em nossa compreensão," disse Cassak. "Até agora, o estado da arte em nossa área de pesquisa era contabilizar a conversão de energia associada apenas à expansão e ao aquecimento, mas nossa teoria fornece uma maneira de calcular toda a energia que não está em equilíbrio."

Como exemplos adicionais, as novas equações serão úteis para estudar plasmas de baixa temperatura, que são importantes para a gravação de circuitos na indústria de semicondutores, bem como em outras áreas como química e computação quântica. E também vão ajudar os astrônomos a estudar como as galáxias evoluem no tempo.

"Como a primeira lei da termodinâmica é tão amplamente utilizada, esperamos que cientistas em uma ampla gama de campos possam usar nosso resultado," disse Barbhuiya.

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