Física

Há mais uma confirmação teórica para a 3ª Lei da Termodinâmica

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Matemáticos podem ter encontrado mais provas teóricas de que o zero absoluto não existe. Estamos mais perto de compreender a 3ª Lei da Termodinâmica. E de conseguir avanços na computação quântica.

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Um grupo de matemáticos da University College London conseguiu mais uma confirmação teórica de que a temperatura de zero absoluto não pode ser fisicamente alcançada, porque é impossível que a entropia de um sistema atinja zero. Essas provas teóricas suportam a 3ª Lei da Termodinâmica, postulada pela primeira vez há mais de cem anos pelo químico alemão Walther Nernst, e dizem que não se pode arrefecer um sistema até ao zero absoluto com uma quantidade finita de recursos e de tempo.

Vamos por partes. A termodinâmica é um ramo da física que estuda o efeito do trabalho, do calor e da energia num sistema e é compreendida à luz de quatro leis. Uma delas é a Lei Zero e diz que, “quando dois sistemas estão separadamente em equilíbrio termodinâmico com um terceiro sistema, então significa que ambos estão em equilíbrio termodinâmico entre si”. Isto significa que os três sistemas estão à mesma temperatura, ou seja, que as partículas que os compõem estão todos num grau de agitação igual. Esta é uma lei base, mas as outras três são mais complexas.

A 1ª Lei da Termodinâmica também é chamada de Princípio de Conservação de Energia. Ela postula que “um sistema não pode criar ou consumir energia, mas apenas armazená-la ou transferi-la no meio onde se encontra” como calor ou trabalho. Se um sistema recebe calor do meio, então o meio realiza trabalho e a energia interna do sistema aumenta (as partículas que o compõem entram num grau de agitação maior); mas se um sistema ceder calor ao meio, então o meio recebe calor e a energia interna do sistema diminui (as partículas que o compõem entram num grau de agitação menor).

A 2ª Lei da Termodinâmica introduz a noção de entropia, explica ao Observador o físico teórico Carlos Fiolhais. Ela postula que “o calor não pode fluir, de forma espontânea, de um corpo de temperatura menor para um outro corpo de temperatura mais alta” a não ser que se use uma máquina térmica que realiza trabalho, como nos frigoríficos. Tendo isto em conta, um processo natural que comece num estado de equilíbrio e termine noutro vai ocorrer num de dois sentidos: ou vai aumentar a entropia do sistema e do meio num processo irreversível; ou vai manter a entropia do sistema num processo reversível. Ou seja, a entropia (que se mede através da relação entre a quantidade de calor transferida e a temperatura do sistema) de um sistema isolado aumenta no decorrer de uma mudança espontânea. Só pode diminuir se for induzida por meio de uma máquina.

Depois vem a 3ª Lei da Termodinâmica. Essa lei, que valeu a Walther Nernst um Prémio Nobel da Química, diz que um sistema só pode estar em temperatura de zero absoluto se a entropia também tiver um valor zero. Diz-se que zero absoluto corresponde a 0 Kelvin ou -273,15ºC (porque o Kelvin é a medida oficial do Sistema Internacional de Unidades para a temperatura) e postula-se que, a essa temperatura, as partículas do sistema não têm qualquer agitação: é o chamado nível “zero” de energia, explica ao Observador a professora de Física e Química Sandra Paula Ferreira. No entanto, segundo o Princípio da Inatingibilidade, esta é uma situação impossível: nunca se poderá atingir o zero absoluto porque nenhum sistema pode estar num nível zero de entropia. Esta é uma suspeita antiga, mas os cientistas conseguiram agora provas teóricas que suportam esse princípio.

E é impossível porque esse é um processo infinito. Enquanto é possível chegar a um nível máximo de agitação de partículas de um material, em que há uma desordem máxima, não existe a “ordem máxima” das partículas, porque isso implicaria um número infinito de passos. Vejamos: o arrefecimento ocorre quando o calor é removido de um sistema e enviado para outro. O quanto esse sistema pode arrefecer depende da quantidade de trabalho que pode ser feito para remover o valor, mas o processo em si é sempre igual: metade do calor é transferido, depois metade do que restou volta a ser transferido e assim sucessivamente. Conclusão: podemos aproximar-nos sempre do zero absoluto, mas nunca alcançá-lo, porque isso demoraria um tempo infinito.

Há, no entanto, uma velocidade máxima a que os materiais podem arrefecer, diz o relatório escrito por estes matemáticos. O “limite de velocidade de arrefecimento” não é constante e varia de material para material: há sistemas que arrefecem mais facilmente que outros e, portanto, alguns são mais rápidos a aproximarem-se do zero absoluto.

Confirmações teóricas destas são úteis na área da computação quântica, onde a capacidade de arrefecer as partículas do sistema é essencial. Para armazenar dados, as partículas de um computador quântico são colocadas em estados energéticos muito específicos: se esses estados forem alterados por acréscimo de energia, isso alterará o grau de agitação das partículas e vai degradar ou destruir os dados armazenados no computador. No entanto, para confirmar os dados matemáticos fornecidos por esta equipa, o relatório dos cálculos terá de ser analisado por outros profissionais da área para confirmarem a total veracidade dos resultados e das conclusões.

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