Usuário(a):Rpez/Zero absoluto

O zero absoluto é a menor temperatura teórica possível. Mais formalmente, é a temperatura na qual a entropia atinge seu valor mínimo e, segundo a interpretação clássica, a energia cinética e térmica valem zero. As leis da termodinâmica afirmam que o zero absoluto não pode ser alcançado utilizando-se apenas métodos termodinâmicos. Um sistema no zero absoluto ainda possui a menor quantidade de energia possível segundo a mecânica quântica - a energia cinética de seu estado menos energético não pode ser removida.

Por convenção, o zero absoluto é definido como 0 K na escala Kelvin e -273,15°C na escala Celsius. Isto equivale a -459,67°F na escala Fahrenheit e 0 Ra na escala Rankine.Cientistas já atingiram temperaturas muito próximas do zero absoluto, onde a matéria exibe efeitos quânticos como, por exemplo, a supercondutividade e a superfluidez.

Escalas de temperatura absolutas

Temperatura absoluta, ou temperatura termodinâmica, é convencionalmente medida em Kelvins, que possui os mesmos incrementos da escala Celsius e é amplamente usada, ou em Rankine, que compartilha a mesma unidade da escala Fahrenheit e é raramente utilizada.

Escala	Zero absoluto	Ponto de fusão da água	Ponto de ebulição da água
Kelvin	0 K	273,15 K	373,15 K
Rankine	0 Ra	491,67 Ra	671,67 Ra
Celsius	-273,15ºC	0ºC	100ºC
Fahrenheit	-459,67ºF	32ºF	212ºF
Réaumur	-218,52ºRé	0ºRé	80ºRé

A Termodinâmica do zero absoluto

Em temperaturas próximas a 0 K, praticamente todo movimento molecular cessa e, quando a entropia = S, ΔS = 0 para qualquer processo adiabático, substâncias puras podem formar (idealmente) cristais perfeitos conforme T tende a 0. A terceira lei da termodinâmica de Max Planck afirma que a entropia de um cristal perfeito desaparece no zero absoluto. O teorema original do calor de Nernst faz a menos controversa afirmação que a variação na entropia para qualquer processo isotérmico tende a 0 conforme T também tende a 0:

$\lim _{T\to 0}\Delta S=0$

Isso implica que a entropia de um cristal perfeito simplesmente se aproxima de um valor constante. O postulado de Nernst identifica a isoterma T = 0 como coincidente com a adiabata S = 0, embora outras isotermas e adiabatas sejam distintas. Já que duas adiabatas nunca se interceptam, somente a que representa S = 0 pode intersectar a isoterma T = 0. Consequentemente, nenhum processo adiabático que começa em uma temperatura diferente de zero pode levar ao zero absoluto. Uma afirmação mais assertiva é de que é impossível atingir o zero absoluto por qualquer procedimento em um número finito de etapas. O calor específico e a entropia de um cristal puro são proporcionais a T³, enquanto que a entalpia é proporcional a T⁴. Essas grandezas diminuem quando T tende a 0, também se aproximando de 0. O calor específico tende a 0 em qualquer material no zero absoluto, não necessariamente em cristais, assim como o coeficiente de expansão térmica. Segundo a relação entre a varição da Energia Livre de Gibbs, da entalpia e da entropia

$\Delta G=\Delta H-T\Delta S\,$

quando T diminui, ΔG e ΔH se aproximam. Como em processos espontâneos ΔG < 0, quando T = 0, ΔH < 0 e o processo é exotérmico. Isto confirma que o estado mais estável de um sistema é o que envolve a maior liberação de calor.

História

Boyle foi o primeiro a ter a ideia do zero absoluto.

Robert Boyle foi o pioneiro da ideia de um zero absoluto. Sua obra de 1665, New Experiments and Observations touching Cold, articulou a disputa conhecida como primum frigidum. O conceito era bem conhecido por Naturalistas da época. Alguns afirmavam que uma temperatura mínima ocorria na terra (um dos chamados "quatro elementos"), outros no ar ou até na água. Mas todos concordavam que "Há algum corpo que é por sua própria natureza tão frio e que na sua companhia todos os outros corpos adquirem tal qualidade."

Limite para o "grau de frieza"

A questão sobre a existência ou não de um limite para o nível de frieza, e, se sim, onde deve ser colocado o zero, foi primeiro pensada pelo médico francês Guillaume Amontons em 1702, relacionada com as melhorias feitas no termômetro de ar. No seu instrumento, a temperatura era indicada pela altura na qual uma coluna de mercúrio era sustentada por uma certa massa de ar, o volume' ou "mola", variava com o calor a qual era submetido. Amontons portanto argumentou que o zero absoluto deveria ser a temperatura na qual o volume de ar era reduzido a nada. De acordo com a escala por ele utilizada, o ponto de ebulição da água era +73 e o ponto de fusão do gelo +51, portanto o zero de sua escala seria equivalente a cerca de -240°C. Essa aproximação do valor moderno adotado de -273,15°C para o zero no termômetro de ar foi melhorada em 1779 por Johann Heinrich Lambert, que observou -270°C como o "frio máximo".

Valores desta ordem para o zero absoluto não foram, entretanto, universalmente adotados nesse período. Pierre-Simon Laplace e Antoine Lavoisier, no seu tratado de 1780 sobre calor, chegaram a valores variando entre 1500 a 3000 graus abaixo do ponto de congelamento da água. John Dalton em Novo Sistema de Filosofia Química apresentou dez cálculos desse valor, e finalmente adotou -3000°C como o zero natural da temperatura.

Depois de James Prescott Joule ter determinado o equivalente mecânico do calor, Lorde Kelvin abordou o problema de um ponto de vista completamente diferente, e em 1848 inventou uma escala de temperatura absoluta que não dependia das propriedades da substância e era baseada somente nas leis fundamentais da termodinâmica. Ele baseou-se no princípio de que sua escala fosse construída com o zero em -273,15°C, quase a mesma temperatura do zero no termômetro de ar.

Temperaturas extremamente baixas

A rápida expansão dos gases que deixam a Nebulosa do Bumerangue, a 5000 anos luz da Terra, é a causa da menor temperatura já observada fora de um laboratório: 1 K.

O zero absoluto não pode ser atingido, porém é possível chegar a temperaturas muito próximas dele através do uso de refrigeradores criogênicos, e desmagnetização adiabática nuclear. O uso de resfriamento a laser já produziu temperaturas na ordem de bilhonésimos de Kelvin. Em temperaturas extremamente baixas, nas vizinhanças do zero absoluto, a matéria exibe muitas propriedades extraordinárias, incluindo a supercondutividade (quando a matéria não exibe resistência elétrica), a superfluidez (quando a viscosidade de um fluido é zero) e a Condensação de Bose-Einstein.

Recordes

Até 2004, a temperatura mais baixa obtida para um condensado Bose-Einstein era de 450 pK, ou 0,00000000045 K, obtida por Wolfgang Ketterle e colegas do MIT. A mais baixa temperatura já obtida foi de 100 pK, durante uma experiência de ordenação magnética nuclear em 1999 no Laboratório de Baixas Temperaturas da Universidade de Tecnologia de Helsinque.

Curiosidades

A temperatura média do universo atualmente é de aproximadamente 2,73 K, baseada nas medições Radiação cósmica de fundo em micro-ondas Em maio de 2005, a Agência Espacial Europeia propôs um pesquisa no espaço a fim de atingir temperaturas na ordem de femtoKelvins.