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Física Total - Ivys Urquiza  Há mais de um mês
Onde você acha que o lugar mais frio do nosso universo está localizado? Hoje é a Terra. Por exemplo, a temperatura da superfície da lua é de -227 graus Celsius, e a temperatura do vácuo que nos rodeia é de 265 graus abaixo de zero. No entanto, em um laboratório na Terra, uma pessoa pode atingir temperaturas muito mais baixas para estudar as propriedades dos materiais em temperaturas ultrabaixas. Materiais, átomos individuais e até mesmo luz submetidos a resfriamento extremo começam a exibir propriedades incomuns. O primeiro experimento desse tipo foi realizado no início do século 20 por físicos que estudaram as propriedades elétricas do mercúrio em temperaturas ultrabaixas. A -262 graus Celsius, o mercúrio começa a exibir as propriedades de supercondutividade, reduzindo a resistência à corrente elétrica a quase zero. Outros experimentos também revelaram outras propriedades interessantes dos materiais resfriados, incluindo a superfluidez, que se expressa no "vazamento" de matéria através de divisórias sólidas e de recipientes fechados. A ciência determinou a temperatura mais baixa alcançável - menos 273,15 graus Celsius, mas praticamente essa temperatura é inatingível. Na prática, a temperatura é uma medida aproximada da energia contida em um objeto, então o zero absoluto indica que o corpo não irradia nada, e nenhuma energia pode ser extraída desse objeto. Mas, apesar disso, os cientistas estão tentando chegar o mais próximo possível da temperatura do zero absoluto, o recorde atual foi estabelecido em 2003 no laboratório do Instituto de Tecnologia de Massachusetts. Os cientistas estavam apenas 810 bilionésimos de grau abaixo do zero absoluto. Eles resfriaram uma nuvem de átomos de sódio mantidos no lugar por um poderoso campo magnético. Parece - qual é o significado aplicado de tais experimentos? Acontece que os pesquisadores estão interessados em um conceito como o condensado de Bose-Einstein, que é um estado especial da matéria - não um gás, sólido ou líquido, mas simplesmente uma nuvem de átomos com o mesmo estado quântico. Essa forma de matéria foi prevista por Einstein e pelo físico indiano Satyendra Bose em 1925, e foi obtida apenas 70 anos depois. Um dos cientistas que alcançou esse estado da matéria é Wolfgang Ketterle, que recebeu o Prêmio Nobel de Física por sua descoberta. Uma das propriedades notáveis do Condensado de Bose-Einstein (BEC) é a capacidade de controlar o movimento dos raios de luz. No vácuo, a luz viaja a 300.000 km por segundo, que é a velocidade mais rápida alcançável no universo. Mas a luz pode se propagar mais lentamente se não se propagar no vácuo, mas na matéria. Com a ajuda do BEC, é possível desacelerar o movimento da luz para baixas velocidades e até pará-lo. Devido à temperatura e densidade do condensado, a emissão de luz diminui e pode ser "capturada" e convertida diretamente em corrente elétrica. Essa corrente pode ser transferida para outra nuvem BEC e convertida novamente em radiação de luz. Esse recurso está em grande demanda para telecomunicações e computação. Aqui não entendo nada - afinal, JÁ existem aparelhos que convertem ondas de luz em eletricidade e vice-versa... Aparentemente, o uso do BEC permite que essa conversão seja feita de forma mais rápida e precisa. Uma das razões pelas quais os cientistas estão tão ansiosos para obter um zero absoluto é uma tentativa de entender o que está acontecendo e aconteceu com o nosso Universo, quais leis termodinâmicas operam nele. Ao mesmo tempo, os pesquisadores entendem que extrair toda a energia do átomo é praticamente inatingível. O que é zero absoluto (mais frequentemente - zero)? Essa temperatura realmente existe em algum lugar do universo? Podemos resfriar qualquer coisa até o zero absoluto na vida real? Se você está se perguntando se é possível superar uma onda de frio, vamos explorar os limites mais distantes da temperatura fria... O que é zero absoluto (mais frequentemente - zero)? Essa temperatura realmente existe em algum lugar do universo? Podemos resfriar qualquer coisa até o zero absoluto na vida real? Se você está se perguntando se é possível superar uma onda de frio, vamos explorar os limites mais distantes da temperatura fria... Mesmo que você não seja um físico, provavelmente está familiarizado com o conceito de temperatura. A temperatura é uma medida da quantidade de energia aleatória interna em um material. A palavra "interno" é muito importante. Jogue uma bola de neve e, embora o movimento principal seja bastante rápido, a bola de neve permanecerá bastante fria. Por outro lado, se você observar as moléculas de ar voando ao redor de uma sala, uma molécula de oxigênio comum frita a uma velocidade de milhares de quilômetros por hora. Costumamos ficar em silêncio quando se trata de detalhes técnicos, então apenas para os especialistas, notamos que a temperatura é um pouco mais complicada do que dissemos. A verdadeira definição de temperatura é quanta energia você precisa gastar para cada unidade de entropia (desordem, se você quiser uma palavra melhor). Mas vamos pular as sutilezas e focar apenas no fato de que moléculas aleatórias de ar ou água no gelo se moverão ou vibrarão cada vez mais devagar à medida que a temperatura cai. O zero absoluto é -273,15 graus Celsius, -459,67 Fahrenheit e apenas 0 Kelvin. Este é o ponto onde o movimento térmico para completamente.
Na consideração clássica da questão, tudo para no zero absoluto, mas é neste momento que o terrível focinho da mecânica quântica espreita ao virar da esquina. Uma das previsões da mecânica quântica que contaminou o sangue de alguns físicos é que você nunca pode medir a posição exata ou o momento de uma partícula com perfeita certeza. Isso é conhecido como o princípio da incerteza de Heisenberg. Se você pudesse resfriar uma sala selada até o zero absoluto, coisas estranhas aconteceriam (mais sobre isso em breve). A pressão do ar cairia para quase zero e, como a pressão do ar normalmente se opõe à gravidade, o ar entraria em colapso em uma camada muito fina no chão. Mas mesmo assim, se você puder medir moléculas individuais, encontrará algo curioso: elas vibram e giram, um pouco - incerteza quântica em ação. Para pontilhar os i, se você medir a rotação das moléculas de dióxido de carbono no zero absoluto, descobrirá que os átomos de oxigênio circulam o carbono a uma velocidade de vários quilômetros por hora - muito mais rápido do que você pensava. A conversa chega a um impasse. Quando falamos sobre o mundo quântico, o movimento perde seu significado. Nessas escalas, tudo é definido pela incerteza, então não é que as partículas sejam estacionárias, você simplesmente nunca pode medi-las como se fossem estacionárias.
Ir para o zero absoluto tem essencialmente os mesmos problemas que ir para a velocidade da luz. É preciso uma quantidade infinita de energia para atingir a velocidade da luz, e atingir o zero absoluto requer uma quantidade infinita de calor para ser extraída. Ambos os processos são impossíveis, se houver. Apesar de ainda não termos alcançado o estado real do zero absoluto, estamos muito próximos disso (embora "muito" neste caso seja um conceito muito solto; como uma rima infantil: dois, três, quatro, quatro e meio, quatro em uma corda, quatro por um fio, cinco). A temperatura mais baixa já registrada na Terra foi na Antártida em 1983, com -89,15 graus Celsius (184K). Claro, se você quer se refrescar como uma criança, precisa mergulhar nas profundezas do espaço. Todo o universo está inundado com os restos de radiação do Big Bang, nas regiões mais vazias do espaço - 2,73 graus Kelvin, que é um pouco mais fria que a temperatura do hélio líquido, que conseguimos na Terra há um século. Mas os físicos de baixa temperatura estão usando raios congelantes para levar a tecnologia a um nível totalmente novo. Pode surpreendê-lo que os feixes de congelamento tomem a forma de lasers. Mas como? Os lasers devem queimar. Isso mesmo, mas os lasers têm uma característica - pode-se até dizer, um ultimato: toda a luz é emitida na mesma frequência. Átomos neutros comuns não interagem com a luz, a menos que a frequência seja sintonizada com precisão. Se o átomo voa em direção à fonte de luz, a luz recebe um desvio Doppler e vai para uma frequência mais alta. Um átomo absorve menos energia de fótons do que poderia. Portanto, se você definir o laser mais baixo, os átomos em movimento rápido absorverão a luz, e a emissão de um fóton em uma direção aleatória perderá um pouco de energia em média. Se você repetir o processo, poderá resfriar o gás para menos de um nanoKelvin, um bilionésimo de grau. Tudo se torna mais extremo. O recorde mundial para a temperatura mais fria é inferior a um décimo de bilhão de graus acima do zero absoluto. Dispositivos que conseguem isso prendem átomos em campos magnéticos. A "temperatura" não depende tanto dos próprios átomos, mas do spin dos núcleos atômicos. Agora, para restabelecer a justiça, precisamos sonhar um pouco. Quando normalmente imaginamos algo congelado a um bilionésimo de grau, você certamente obterá uma imagem de até mesmo moléculas de ar congelando no lugar. Pode-se até imaginar um dispositivo apocalíptico destrutivo que congela os spins dos átomos. Em última análise, se você realmente deseja experimentar baixas temperaturas, tudo o que você precisa fazer é esperar. Após cerca de 17 bilhões de anos, a radiação de fundo no Universo esfriará para 1K. Em 95 bilhões de anos, a temperatura será de cerca de 0,01K. Em 400 bilhões de anos, o espaço profundo será tão frio quanto o experimento mais frio da Terra, e ainda mais frio depois disso. Se você está se perguntando por que o universo está esfriando tão rapidamente, agradeça aos nossos velhos amigos: entropia e energia escura. O universo está em um modo de aceleração, entrando em um período de crescimento exponencial que continuará para sempre. As coisas vão congelar muito rapidamente.
Tudo isso, claro, é maravilhoso, e quebrar recordes também é bom. Mas qual é o ponto? Bem, existem muitas boas razões para entender as terras baixas de temperatura, e não apenas como vencedor. Os mocinhos do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, por exemplo, gostariam apenas de fazer relógios legais. Os padrões de tempo são baseados em coisas como a frequência do átomo de césio. Se o átomo de césio se mover muito, há uma incerteza nas medições, o que acabará por causar o mau funcionamento do relógio. Mas o mais importante, especialmente do ponto de vista científico, é que os materiais se comportam de forma insana em temperaturas extremamente baixas. Por exemplo, assim como um laser é composto de fótons que são sincronizados entre si - na mesma frequência e fase -, o material conhecido como condensado de Bose-Einstein pode ser criado. Nele, todos os átomos estão no mesmo estado. Ou imagine um amálgama em que cada átomo perde sua individualidade e toda a massa reage como um superátomo nulo. Em temperaturas muito baixas, muitos materiais se tornam superfluidos, o que significa que podem ser completamente viscosos, empilhar em camadas ultrafinas e até mesmo desafiar a gravidade para obter um mínimo de energia. Também em baixas temperaturas, muitos materiais se tornam supercondutores, o que significa que não possuem resistência elétrica. Os supercondutores são capazes de responder a campos magnéticos externos de forma a cancelá-los completamente dentro do metal. Como resultado, você pode combinar a temperatura fria e o ímã e obter algo como levitação.
Vejamos o outro extremo. Se a temperatura é apenas uma medida de energia, então você pode imaginar os átomos se aproximando cada vez mais da velocidade da luz. Não pode continuar indefinidamente, pode? Há uma resposta curta: não sabemos. É perfeitamente possível que exista literalmente uma temperatura infinita, mas se houver um limite absoluto, o universo primitivo fornece algumas pistas bastante interessantes sobre o que é. A temperatura mais alta que já existiu (pelo menos em nosso universo) provavelmente aconteceu no chamado "tempo de Planck". Foi um momento 10^-43 segundos depois do Big Bang, quando a gravidade se separou da mecânica quântica e da física se tornou exatamente o que é agora. A temperatura naquela época era de cerca de 10^32 K. Isso é um septilhão de vezes mais quente que o interior do nosso Sol. Novamente, não temos certeza se esta é a temperatura mais quente de todos os tempos. Como nem sequer temos um grande modelo do universo na época de Planck, nem temos certeza de que o universo estava fervendo nesse estado. De qualquer forma, estamos muitas vezes mais próximos do zero absoluto do que do calor absoluto. A temperatura absoluta zero corresponde a 273,15 graus Celsius abaixo de zero, 459,67 abaixo de zero Fahrenheit. Para a escala de temperatura Kelvin, essa temperatura em si é a marca zero. A essência da temperatura zero absolutoO conceito de zero absoluto vem da própria essência da temperatura. Qualquer corpo que ceda ao ambiente externo no curso de . Neste caso, a temperatura do corpo diminui, ou seja, sobra menos energia. Teoricamente, esse processo pode continuar até que a quantidade de energia atinja um mínimo no qual o corpo não possa mais distribuí-la. De acordo com os conceitos modernos, a temperatura do zero absoluto é aquela em que as moléculas têm o menor nível de energia possível. Com menos energia, ou seja, a uma temperatura mais baixa, nenhum corpo físico pode existir. A teoria e a práticaA temperatura zero absoluta é um conceito teórico, é impossível alcançá-la na prática, em princípio, mesmo nas condições de laboratórios científicos com os equipamentos mais sofisticados. Mas os cientistas conseguem resfriar a matéria a temperaturas muito baixas, próximas do zero absoluto. A tais temperaturas, as substâncias adquirem propriedades surpreendentes que não podem ter em circunstâncias normais. O mercúrio, que é chamado de "prata viva" por causa de seu estado quase líquido, a essa temperatura se torna sólido - a ponto de poder martelar pregos. Alguns metais tornam-se quebradiços, como o vidro. A borracha torna-se tão dura. Se um objeto de borracha for atingido com um martelo a uma temperatura próxima do zero absoluto, ele quebrará como vidro. Essa mudança nas propriedades também está associada à natureza do calor. Quanto mais alta a temperatura do corpo físico, mais intensa e caótica as moléculas se movem. À medida que a temperatura diminui, o movimento torna-se menos intenso e a estrutura torna-se mais ordenada. Assim, o gás torna-se líquido e o líquido torna-se sólido. O nível limitante de ordem é a estrutura cristalina. Em temperaturas ultrabaixas, é adquirido mesmo por substâncias que no estado normal permanecem amorfas, por exemplo, borracha. Fenômenos interessantes ocorrem com metais. Os átomos da rede cristalina vibram com uma amplitude menor, o espalhamento de elétrons diminui, portanto, a resistência elétrica diminui. O metal adquire supercondutividade, cuja aplicação prática parece muito tentadora, embora difícil de alcançar. > Zero absoluto Aprenda o que é igual temperatura zero absoluto e valor de entropia. Descubra qual é a temperatura do zero absoluto nas escalas Celsius e Kelvin. Zero absoluto– temperatura mínima. Esta é a marca na qual a entropia atinge seu valor mais baixo. Tarefa de aprendizagem
Pontos chave
Termos
O zero absoluto é a temperatura mínima na qual a entropia atinge seu valor mais baixo. Ou seja, este é o menor indicador que pode ser observado no sistema. Este é um conceito universal e atua como um ponto zero no sistema de unidades de temperatura. Gráfico de pressão versus temperatura para diferentes gases com volume constante. Observe que todos os gráficos são extrapolados para pressão zero a uma temperatura. Um sistema em zero absoluto ainda é dotado de energia zero mecânica quântica. De acordo com o princípio da incerteza, a posição das partículas não pode ser determinada com precisão absoluta. Se uma partícula é deslocada no zero absoluto, ela ainda tem uma reserva mínima de energia. Mas na termodinâmica clássica, a energia cinética pode ser zero e a energia térmica desaparece. O ponto zero de uma escala termodinâmica, como Kelvin, equivale ao zero absoluto. Um acordo internacional estabeleceu que a temperatura do zero absoluto atinge 0K na escala Kelvin e -273,15°C na escala Celsius. A substância à temperatura mínima exibe efeitos quânticos, como supercondutividade e superfluidez. A temperatura mais baixa em condições de laboratório foi de 10-12 K e no ambiente natural - 1 K (expansão rápida de gases na Nebulosa do Bumerangue). A rápida expansão dos gases leva à temperatura mínima observada O zero absoluto corresponde a uma temperatura de -273,15 °C. Acredita-se que o zero absoluto é inatingível na prática. Sua existência e posição na escala de temperatura decorrem da extrapolação dos fenômenos físicos observados, enquanto tal extrapolação mostra que no zero absoluto a energia do movimento térmico de moléculas e átomos de uma substância deve ser igual a zero, ou seja, a energia caótica o movimento das partículas para e elas formam uma estrutura ordenada, ocupando uma posição clara nos nós da rede cristalina. No entanto, de fato, mesmo na temperatura zero absoluto, os movimentos regulares das partículas que compõem a matéria permanecerão. As flutuações restantes, como vibrações de ponto zero, são devidas às propriedades quânticas das partículas e ao vácuo físico que as cerca. Atualmente, os laboratórios físicos conseguiram obter temperaturas superiores ao zero absoluto em apenas alguns milionésimos de grau; é impossível alcançá-lo, de acordo com as leis da termodinâmica. NotasLiteratura
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