De acordo com a terceira lei da termodinâmica, a entropia de um cristal perfeito é zero quando a temperatura do cristal é igual ao zero absoluto (0 kelvin)

Escalas de temperatura. Em 0 K, a entropia para. Isso é conhecido como zero absoluto e, em teoria, isso não é possível. Crédito da imagem: ttsz via Getty Images

A terceira lei da termodinâmica diz respeito ao comportamento dos sistemas quando a temperatura se aproxima do zero absoluto. Ela relaciona calor e entropia nesta temperatura mais baixa para cristais, que se referem a qualquer material sólido composto de átomos dispostos em um padrão simétrico definido, de acordo com a Britannica. A terceira lei da termodinâmica afirma que "a entropia de um cristal perfeito é zero quando a temperatura do cristal é igual ao zero absoluto (0 K)". De acordo com a Universidade de Purdue, "o cristal deve ser perfeito, ou então haverá alguma desordem inerente. Também deve estar a 0 K; caso contrário, haverá movimento térmico dentro do cristal, o que leva à desordem".

Siabal Mitra, professor de física da Missouri State University, fornece outra implicação dessa lei.

“Uma versão da terceira lei afirma que seria necessário um número infinito de etapas para chegar ao zero absoluto, o que significa que você nunca chegará lá”, disse Mitra. Se você pudesse chegar ao zero absoluto, violaria a segunda lei, porque se você tivesse um dissipador de calor no zero absoluto, poderia construir uma máquina que fosse 100% eficiente".

Em teoria, seria possível desenvolver um cristal perfeito em que todos os espaços da treliça fossem ocupados por átomos idênticos. No entanto, geralmente acredita-se que é impossível atingir uma temperatura de zero absoluto. Portanto, toda matéria contém pelo menos alguma entropia devido à presença de alguma energia térmica. 

HISTÓRIA DA TERCEIRA LEI DA TERMODINÂMICA

A terceira lei da termodinâmica foi formulada pela primeira vez pelo químico e físico alemão Walther Nernst em 1906, de acordo com a Britannica. Em seu livro, "A Survey of Thermodynamics" (American Institute of Physics, 1994), Martin Bailyn cita a afirmação de Nernst da terceira lei como: "É impossível para qualquer procedimento levar à isoterma T = 0 em um número finito de graus." Isso essencialmente estabelece uma temperatura de zero absoluto como sendo inatingível da mesma forma que a velocidade da luz c no vácuo nunca pode ser excedida. Os estados teóricos e os experimentos mostraram que não importa o quão rápido algo esteja se movendo, ele sempre pode ser feito para se mover mais rápido, mas nunca pode atingir a velocidade da luz, de acordo com a Morningside University. Da mesma forma, não importa quão frio seja um sistema, ele sempre pode ficar mais frio, mas nunca pode atingir o zero absoluto. 

Em seu livro, "The Story of Physics" (Arcturus, 2012), Anne Rooney escreveu: "A terceira lei da termodinâmica requer o conceito de uma temperatura mínima abaixo da qual nenhuma temperatura pode diminuir, conhecida como zero absoluto". Ela continuou: "Robert Boyle discutiu pela primeira vez o conceito de uma temperatura mínima possível em 1665, em 'New Experiments and Observations Touching Cold' [Crook Publishing], no qual ele se referiu à ideia como primum frigidum".

Acredita-se que o zero absoluto foi calculado pela primeira vez com precisão razoável em 1779 por Johann Heinrich Lambert, de acordo com Jaime Wisniak da Universidade Ben-Gurion do Negev em Israel. Lambert baseou este cálculo na relação linear entre a pressão e a temperatura de um gás. Quando um gás é aquecido em um espaço confinado, sua pressão aumenta. Isso ocorre porque a temperatura de um gás é uma medida da velocidade média das moléculas no gás. Quanto mais quente fica, mais rápido as moléculas se movem e maior a pressão que exercem quando colidem com as paredes do recipiente. Era razoável para Lambert supor que se a temperatura do gás pudesse ser trazida para zero absoluto, o movimento das moléculas de gás poderia ser parado completamente para que elas não pudessem mais exercer qualquer pressão nas paredes da câmara. 

Se alguém traçar a relação temperatura-pressão do gás em um gráfico com temperatura no eixo x (horizontal) e pressão no eixo y (vertical), os pontos formariam uma linha reta inclinada para cima, indicando uma relação linear entre temperatura e pressão, de acordo com a Florida State University. Deve ser bastante simples, então, estender a linha para trás e ler a temperatura onde a linha cruza o eixo x, ou seja, onde y = 0, indicando pressão zero. Usando esta técnica, Lambert calculou que o zero absoluto era menos 270 graus Celsius (menos 454 Fahrenheit), que era notavelmente próximo do valor moderno aceito de menos 273,15 C (menos 459,67 F), de acordo com a Britannica. 

A ESCALA DE TEMPERATURA KELVIN

Uma foto de William Thomson, 1º Barão Kelvin. A escala Kelvin é nomeada para ele. Crédito da imagem: Bettmann / Colaborador via Getty Images

A pessoa mais associada ao conceito de zero absoluto é William Thomson, 1º Barão Kelvin. A unidade de temperatura que leva seu nome, o kelvin (K), é a mais usada pelos cientistas em todo o mundo. Os incrementos de temperatura na escala Kelvin são do mesmo tamanho que na escala Celsius, mas como começa no zero absoluto, em vez do ponto de congelamento da água, pode ser usado diretamente em cálculos matemáticos, particularmente em multiplicação e divisão. Por exemplo, 100 K na verdade é duas vezes mais quente que 50 K, de acordo com a Universidade do Texas. Uma amostra de gás confinado a 100 K também contém o dobro de energia térmica e tem o dobro da pressão que teria a 50 K. Tais cálculos não podem ser feitos usando a escala Celsius ou Escalas Fahrenheit, ou seja, 100 C não é duas vezes mais quente que 50 C, nem 100 F duas vezes mais quente que 50 F.

IMPLICAÇÕES DA TERCEIRA LEI

Como uma temperatura de zero absoluto é fisicamente inatingível, a terceira lei pode ser reformulada para se aplicar ao mundo real como: A entropia de um cristal perfeito se aproxima de zero quando sua temperatura se aproxima do zero absoluto. Podemos extrapolar a partir de dados experimentais que a entropia de um cristal perfeito atinge zero no zero absoluto, mas nunca podemos demonstrar isso empiricamente. 

"Existe um campo de pesquisa de temperatura ultra-baixa, e toda vez que você se vira, há um novo recorde de baixa. Atualmente, as temperaturas de nanokelvin (nK = 10^-9 K) são razoavelmente fáceis de alcançar, e todos estão agora trabalhando em picokelvins (pK = 10^-12 K)", disse David McKee, professor de física da Missouri Southern State University.

Até o momento, a temperatura baixa recorde foi alcançada em 2021 por uma equipe do Centro de Tecnologia Espacial Aplicada e Microgravidade (ZARM) da Universidade de Bremen, na Alemanha. Eles prenderam uma nuvem de cerca de 100.000 átomos de rubídio em um campo magnético dentro de uma câmara de vácuo e jogaram a câmara em uma torre de queda para permitir que os átomos flutuassem desinibidos pela gravidade e retardassem seu movimento molecular. A nuvem atingiu um recorde de 38 picokelvins, ou 38 trilionésimos de Kelvin. 

Em primeira leitura, a terceira lei parece bastante simples e óbvia. No entanto, serve como último período no final de uma longa e consequente história que descreve completamente a natureza do calor e da energia térmica. 

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RECURSOS ADICIONAIS

• O site Energy Education da Universidade de Calgary explica o conceito de zero absoluto. 
• Neste vídeo do StarTalk, Neil deGrasse Tyson explica por que você não pode alcançar o zero absoluto. 
• O Instituto Politécnico Rensselaer tem outra explicação da terceira lei da termodinâmica, completa com três formulações diferentes da lei.

BIBLIOGRAFIA

• Universidade de Purdue, "Entropia e as 2ª e 3ª Leis da Termodinâmica". http://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch21/entropy.php 
• O Prêmio Nobel, "Walther Nernst: Biográfico". 1966. https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1920/nernst/biographic/ 
• Martin Bailyn, "A Survey of Thermodynamics", Instituto Americano de Física, 1994
• Universidade de Morningside, "O Limite da Velocidade". https://webs.morningside.edu/slaven/Physics/relativity/relativity10.html 
• Anne Rooney, "A História da Física", Arcturus, 2012
• Robert Boyle, "New Experiments and Observations Touching Cold", Crook, 1665
• Jaime Wisniak, "Development of the Concept of Absolute Zero Temperature," Educación Química, janeiro de 2005 https://www.researchgate.net/publication/236235474_Development_of_the_Concept_of_Absolute_Zero_Temperature 
• Illinois State University, "MAT 312: Probability and Statistics for Middle School Teachers,"https://math.illinoisstate.edu/day/courses/old/312/notes/twovar/twovar02.html 
• Universidade Estadual da Flórida, "Leis do Gás". https://www.chem.fsu.edu/chemlab/chm1045/gas_laws.html 
• Britannica, "Absolute zero", 9 de abril de 2021. https://www.britannica.com/science/absolute-zero 
• O Centro de Ciências da Saúde da Universidade do Texas em Houston, "Biostatistics for the Clinician". https://www.uth.tmc.edu/uth_orgs/educ_dev/oser/L1_2.HTM 
• Universidade de Bremen, "Extremamente Longo e Incrivelmente Frio", 27 de agosto de 2021. https://www.zarm.uni-bremen.de/en/press/single-view/article/extremely-long-and-incredably-cold .html

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Referência:

LUCAS, Jim; HAMER, Ashley. What is the third law of thermodynamics? Live Science, Nova York, 02, fev. 2022. References. Disponível em: <https://www.livescience.com/50942-third-law-thermodynamics.html>. Acesso em: 20, mai. 2022.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.