O que acontece no ZERO ABSOLUTO?

Que temperatura está onde você mora hoje? Escreve nos comentários a data que você está vendo o vídeo, onde você está, pode ser o estado, se não quiser dar a cidade, e a temperatura. Eu pergunto isso porque onde eu estou gravando hoje está fazendo 24 graus Celsius.

Santa Catarina, no verão. Perfeito. Mas o que exatamente significa dizer 24 graus Celsius?

O que isso mede? Pela maior parte da história da humanidade era literalmente impossível de responder essa pergunta. Nem mesmo Anders Celsius, que foi o criador da escala Celsius, conseguia dar uma resposta convincente do que exatamente era a temperatura.

E isso porque até a metade do século XIX, temperaturas eram um conceito puramente empírico, ou seja, experimental. Tudo o que nós sabíamos de temperatura eram conhecimentos obtidos através de experimentos, e isso inclui a própria escala de temperatura que nós usamos até hoje, os graus Celsius. Anders usou dois pontos de referência para criar a temperatura em graus Celsius, o ponto em que a água ferve e o ponto em que a água congela.

Hoje, nós pensamos em 100 graus Celsius como a temperatura de ebulição da água e zero grau Celsius para a temperatura de solidificação, mas, na época do Anders, era o inverso. 100 graus Celsius era a temperatura mais fria, em que a água congelava, e zero grau era a temperatura mais quente em que ela fervia. Em algum momento da história, a gente inverteu essa convenção e começou a usar um número maior para representar a temperatura mais quente.

E eu trago essa curiosidade histórica para deixar bem claro o quão arbitrárias são as nossas escalas de temperatura mais comuns. O verdadeiro significado físico por trás de uma temperatura em graus Celsius é simplesmente o quão longe ou quão perto de congelar ou evaporar a água está. Viu?

Não é complicado. Na época em que a escala surgiu, toda temperatura em Celsius era referente a água e experimentos realizados com água. Mas isso se provou extremamente frustrante, especialmente conforme o conceito de temperatura foi ganhando mais importância durante a Revolução Industrial.

Graças a experimentos muito simples, nós sabíamos que, se dois objetos em temperaturas diferentes entram em contato, o objeto mais quente esfria e o mais frio esquenta, e eventualmente os dois vão alcançar a mesma temperatura, o famoso equilíbrio térmico. E nós também sabíamos que temperatura, especialmente as altas, eram úteis para mover coisas e realizar trabalho, basicamente criar motores. Tanto que até hoje boa parte da tecnologia de produção de energia da humanidade ainda é baseada em esquentar água até ela evaporar e então usar o vapor para girar uma turbina elétrica.

Até as usinas de fusão nuclear, que é uma tecnologia que nós ainda não dominamos, usam esse mesmo mecanismo para transformar o calor da fusão nuclear em energia elétrica. E aproveitando que eu falei em calor, isso era uma coisa menos entendida ainda do que a temperatura. Eu estou tentando deixar claro que esses dois conceitos, tanto temperatura quanto calor, eram muito frustrantes na época, e existe uma razão por trás disso.

Eu quero que vocês, assistindo esse vídeo, fiquem maravilhados e entendam a grandiosidade da mudança de pensamento quando nós descobrimos que temperatura não é só algo arbitrário que usa a água como referência para ser definida. Ou, em outras palavras, que é sim possível criar uma escala de temperatura absoluta que não depende das propriedades dos materiais específicos. E mais, essa escala tem um piso, um chão, que é a menor temperatura possível, um zero absoluto de temperatura.

Essa ideia é poderosa. É a existência de uma escala absoluta de temperatura, de uma temperatura verdadeira, que mostra que a temperatura é, de fato, algo fundamental na natureza. Temperatura pode ser vista como um conceito abstrato, mas também pode ser estudada como algo fundamental, associada com as leis mais profundas da natureza.

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Continuando, a escala de temperatura absoluta mais famosa é a escala Kelvin. A escala Kelvin usa como base a escala Celsius, mas diferente da Celsius, em que o zero é a temperatura em que a água congela, a escala Kelvin joga o zero lá para o verdadeiro zero absoluto. E para entender como a escala de temperatura Kelvin começou, nós precisamos entender motores.

Entender motores é entender os fundamentos de como a energia se move na natureza e como ela pode ser usada para gerar trabalho e mudar o mundo. Toda energia ou é trabalho ou é calor. E um motor termodinâmico nada mais é do que um motor que transforma um fluxo de calor em trabalho.

Existe um tipo de motor especialmente importante, que é o motor de Carnot. O que o motor de Carnot tem de especial é que a eficiência dele não depende de nada além das temperaturas dos processos envolvidos. Existem motores de Carnot elétricos, a gás, a vapor, magnéticos, e a eficiência de todos eles só depende das temperaturas envolvidas, e não do material do qual o motor é feito.

O motor de Carnot gera trabalho movendo o calor de algum lugar quente para algum lugar mais frio, sem importar qual é a exata natureza desses lugares. E, além disso, o motor de Carnot é o motor mais eficiente possível. Nenhum outro motor pode ser mais eficiente do que um motor de Carnot nas mesmas temperaturas.

E, além disso, existe um cenário hipotético no qual a eficiência do motor atinge 100%, em que ele converte calor em trabalho perfeitamente. Só que esse caso só acontece quando o motor de Carnot opera entre alguma temperatura finita, por exemplo, 30 Kelvin ou 300 Kelvin, e o zero absoluto, zero Kelvin. Ou seja, se existisse um lago mágico que estivesse na temperatura do zero absoluto, seria possível usar esse lago para criar um motor perfeito, um modo perpétuo.

E é assim que o zero absoluto foi definido pela primeira vez. Ele é a temperatura que torna o motor de Carnot 100% eficiente. Essa é a base da escala de temperatura de Kelvin, que é bem útil para fazer contas na termodinâmica.

E outra coisa que nós temos de bem útil hoje em dia é a ideia de átomos e moléculas. Isso nos permite dar uma definição mais intuitiva para a temperatura. Temperatura é uma grandeza macroscópica que mede a energia no movimento dos átomos e moléculas da matéria.

Todo material no mundo é feito de átomos e moléculas, e esses átomos e moléculas não estão perfeitamente parados, eles sempre estão vibrando, se movendo e batendo uns nos outros. Tudo que se move tem energia, e isso também é verdade para os átomos e moléculas que compõem a matéria. Cada molécula individual do seu café tem uma velocidade e uma energia que é associada a essa velocidade.

O que a temperatura está medindo é quanta energia está guardada nesse movimento natural das moléculas de materiais. A temperatura mede o movimento médio dos menores componentes que formam a matéria. A temperatura do ponto de vista microscópico é uma medida de velocidade média.

Essa, inclusive, é uma definição perfeitamente boa de temperatura. Mas o movimento tem um limite natural, estar parado. Se todos os átomos e moléculas da sua cadeira ficassem perfeitamente parados, perfeitamente estáticos, é impossível que eles se movam ainda menos.

Não existe menos movimento do que estar completamente imóvel. Ou seja, seria impossível reduzir ainda mais a temperatura da cadeira. Ela teria alcançado o zero absoluto, que é o ponto no qual é impossível ficar mais frio.

E também é impossível ter ainda menos movimento. E essa é a segunda definição de zero absoluto, a ausência completa de movimento. E a parte mais legal é que a definição do zero absoluto que nós acabamos de chegar usando motores é equivalente a essa definição que usa movimento.

E isso é incrível, porque as duas formas de construir o conceito de zero absoluto não poderiam ser mais diferentes. Uma fala da eficiência de motores e a outra fala de átomos e moléculas. E isso nos dá as duas primeiras propriedades do zero absoluto.

No zero absoluto, motores perfeitos são possíveis e os átomos e moléculas estão todos perfeitamente parados. Mas esse é só o começo. O zero absoluto não é um dos conceitos mais importantes da física atua.

Existe muito mais para ser explorado. Então, eu vou colocar um dos meus moletons favoritos, porque nós vamos reduzir lentamente a temperatura do mundo e ver o que aconteceria com ele quando a gente chegasse no zero absoluto. Inclusive, se vocês estiverem precisando de uns moletons de ciência, é só clicar aqui embaixo, no link da descrição.

Eu vou fazer uma promoção especial para vocês. Nós vamos começar no nosso mundo normal como referência, a temperatura ambiente. Isso significa uma temperatura de aproximadamente 300 Kelvin, quase 27 graus Celsius.

Nada muda. Os gases do ar ainda são gasosos, a água ainda é líquida e as paredes ainda são sólidas e resistentes. A primeira mudança significativa só acontece quando nós chegamos nos 273,15 Kelvin, ou zero graus Celsius.

Aqui a água congela, e isso é chamado de transição de fase. As propriedades de materiais dependem da temperatura, e certas variações de temperatura causam mudanças drásticas e abruptas nas propriedades do material. A solidificação da água em gelo é um exemplo perfeito de uma transição de fase.

Mas nós não vamos parar aqui, nós vamos descer até chegarmos em 183 K, cerca de menos 90 graus Celsius. Agora sim está frio! Esta é a temperatura mais baixa já registrada no planeta, e aqui algumas mudanças mais radicais começam a acontecer.

Nesta temperatura, a maior parte das reações químicas que a vida usa para se manter não acontecem mais. Reações químicas precisam que as moléculas envolvidas tenham um mínimo de energia para acontecerem. Várias reações aumentam de frequência conforme a temperatura aumenta e diminuem de frequência quando a temperatura diminui.

E é até em parte por isso que nós ficamos com febre quando temos infecções. A febre aumenta a nossa temperatura, aumentando o nosso metabolismo, que é a taxa de reações químicas que o nosso corpo faz. E isso permite que o nosso corpo atue mais rápido contra a doença.

Temperaturas muito baixas como essa vão tornar a química que a vida conhece impossível, especialmente para a vida macroscópica como nós. Nas temperaturas mais baixas do planeta, outra transição de fase começa a acontecer também. Uma menos óbvia, mas bem importante.

A maior parte das propriedades dos materiais dependem da temperatura, inclusive a resistência de sólidos a impacto. Nas temperaturas ambientes, os sólidos são maleáveis e resistentes, o que significa que custa muita energia para criar rachaduras neles. Mas em baixas temperaturas, é possível que sólidos que são perfeitamente resistentes quando estão em temperatura ambiente, fiquem extremamente frágeis.

E isso é um tipo de transição de fase, que é a transição de maleável para frágil. Materiais em um estado frágil são bem mais vulneráveis, e mesmo danos microscópicos tendem a virar grandes problemas. Essa transição, inclusive, já rachou um navio inteiro ao meio.

O navio se chamava Liberty, e ele navegou em águas muito geladas, sem ter um casco feito para temperaturas baixas. O metal do casco sofreu a transição de fase do maleável para o frágil e como consequência uma gigantesca rachadura dividiu o navio em dois. E olha que nós ainda estamos a 180 graus de distância do zero absoluto.

E aqui até o que parece sólido e resistente não é mais. A temperatura realmente muda tudo. Então vamos descer ainda mais até chegarmos em 77 Kelvin, cerca de menos 196 graus Celsius, só 77 graus acima do zero absoluto.

Essa é a temperatura do nitrogênio líquido. Nitrogênio é o principal componente da atmosfera, e nessa temperatura ele vira um líquido. Essa é a temperatura em que a própria atmosfera do nosso planeta se torna líquida, cobrindo a superfície do nosso planeta inteiro em 12 metros de nitrogênio e oxigênio líquido.

Mas ainda podemos descer mais até chegarmos à temperatura em que o hélio se torna líquido, a apenas 4 Kelvin, ou menos 269,15 graus Celsius. Essa é uma temperatura muito importante para a ciência moderna, porque é a partir daqui que efeitos quânticos começam a ficar comuns. Essa temperatura é tão baixa que até alguns efeitos quânticos macroscópicos podem acontecer.

Os eletrônicos que sobreviveram a contração térmica absurda causada por essa variação de temperatura se transformam em supercondutores. A boa notícia é que você não precisaria se importar com resfriar o seu computador. E não é porque nós estamos a apenas 4 graus acima do zero absoluto, e sim porque supercondutores permitem que a corrente elétrica flua sem resistência, que é o que faz equipamentos eletrônicos aquecerem.

Além disso, vários objetos metálicos passam a flutuar sobre imãs, que é outro efeito de supercondutores. Essa temperatura também faz o pouco hélio líquido da atmosfera se comportar como um superfluido, escorrendo sem a menor resistência, conseguindo até escalar paredes. E aqui, finalmente, chegamos ao zero absoluto, ou cerca de menos 273,15 graus Celsius.

Nesse ponto, todo e qualquer movimento das partículas deve parar completamente. A principal consequência disso é que, quanto mais perto do zero absoluto a temperatura está, mais fácil é esquentar um objeto. E no exato zero absoluto, qualquer mínimo de calor vai aumentar a temperatura, ou seja, atingir o zero absoluto é impossível.

Mesmo se você resfriar o planeta até chegar nesse ponto, ele sairia do zero absoluto imediatamente. Qualquer mínimo de energia seria suficiente para aumentar a temperatura de novo. Até a radiação cósmica de fundo, que está apenas cerca de 2 graus acima do zero absoluto, serviria como um banho térmico para esquentar qualquer coisa que estivesse no zero absoluto.

Até as fraquíssimas interações magnéticas entre o núcleo atômico e seus elétrons seriam suficientes para aumentar a temperatura do zero absoluto para algo ligeiramente acima do zero absoluto. Não é possível ficar no zero absoluto, e ainda mais, nem sequer é possível alcançar o zero absoluto de verdade. Essa é a terceira lei da termodinâmica, é impossível esfriar algo até o zero absoluto.

E aqui nós chegamos em uma visualização interessante de o que é a menor temperatura possível. Se a gente parar para pensar, o zero absoluto não é um lugar que a gente pode chegar se tivermos paciência e os equipamentos certos. Ele funciona como uma espécie de temperatura infinitamente negativa.

Você sempre pode resfriar mais algum objeto. Você pode chegar em 0,1, 0,01 ou até 0,0000001 Kelvin. Mas você nunca vai chegar no zero absoluto.

E isso faz sentido. Átomos e moléculas não conseguem ficar perfeitamente paradas, e tem até uma razão quântica para isso. Se uma partícula ficasse perfeitamente parada, seria possível terminar com precisão tanto a sua velocidade, que seria zero, quanto a sua posição.

Mas isso viola o princípio da incerteza de Heisenberg, que é uma das leis mais importantes na mecânica quântica. E outra consequência interessante de nós nunca podermos chegar até o zero absoluto é que os motores perfeitos não existem. Nenhum motor pode ser mais eficiente do que o motor de Carnot, e mesmo ele só é perfeitamente eficiente quando ele opera no zero absoluto.

A termodinâmica deixa claro, não existe almoço grátis quando nós falamos da conversão de energia em trabalho. Em resumo, e também para responder a pergunta do vídeo de uma maneira mais clara, nada acontece no zero absoluto porque é impossível de chegar até o zero absoluto. Mas isso não significa que nós não vamos ver coisas legais.

Nós poderíamos ver mudanças de fase, estados exóticos da matéria e coisas que nós jamais saberíamos da existência nas temperaturas a que estamos acostumados. Eu espero que vocês tenham gostado dessa viagem até o zero absoluto. Muito obrigado e até a próxima!