Professor Paulo Lemos
Ciências da Natureza e
suas Tecnologias
física
Abaixo do zero absoluto
Estudos de átomos ultrafrios abrem caminhos para novos
materiais e para descobertas em cosmologia
Shutterstock.
Isso pode soar mais improvável que o inferno congelando, mas
físicos criaram um gás atômico com temperatura abaixo do zero absoluto
pela primeira vez. A técnica abre a porta para a produção de materiais
Kelvin-negativos e novos dispositivos quânticos, e poderia até mesmo
ajudar a solucionar um mistério cosmológico.
Lorde Kelvin definiu a escala de temperatura absoluta em meados
do século XIX, de maneira que nada poderia ser mais frio que o zero
absoluto.
Mais tarde, físicos perceberam que a temperatura absoluta de um
gás está associada à energia média de suas partículas. O zero absoluto
corresponde ao estado teórico em que partículas não têm energia
nenhuma, e temperaturas mais altas correspondem a energias médias
mais altas.
Por volta de 1950, porém, físicos que trabalhavam com sistemas
mais exóticos começaram a perceber que isso nem sempre era verdade:
tecnicamente, você lê a temperatura de um sistema a partir de um gráfico
que mostra as probabilidades de suas partículas serem encontradas em
certas energias.
Normalmente, a maioria das partículas têm energias próximas da
média, com apenas algumas partículas zunindo em energias mais altas.
Em teoria, se a situação for revertida, com mais partículas tendo energias
mais altas, em vez de mais baixas, o gráfico viraria de cabeça para baixo
e o sinal de temperatura mudaria de uma temperatura positiva absoluta
para uma negativa, explica Ulrich Schneider, físico da Universidade
Ludwig Maximilian em Munique, na Alemanha.
Picos e Vales
Schneider e seus colegas atingiram temperaturas abaixo do zero
absoluto com um gás quântico ultrafrio composto por átomos de potássio.
nº
07
Usando lasers e campos magnéticos, eles mantiveram os átomos
individuais em um arranjo trançado. Em temperaturas positivas, os
átomos se repelem, tornando a configuração estável.
A equipe então ajustou rapidamente os campos magnéticos, fazendo
com que os átomos se atraíssem em vez de se repelirem. “Isso muda
repentinamente os átomos de seu estado mais estável, de baixa energia,
para o estado de mais alta energia possível, antes que eles possam
reagir”, explica Schneider. “É como estar caminhando por um vale e
instantaneamente aparecer no topo da montanha”.
Em temperaturas positivas, essa reversão seria instável e provocaria
o colapso dos átomos. Para evitar o colapso, a equipe também ajustou
o campo de captura laser para torná-lo mais favorável do ponto de vista
energético para que os átomos ficassem em suas posições.
Esse resultado, descrito em 2 de janeiro na Science, marca a
transição do gás logo acima do zero absoluto para poucos bilionésimos
de Kelvin abaixo do zero absoluto.
Wolfgang Ketterle, físico e Prêmio Nobel do Massachusetts
Institute of Technology em Cambridge, que anteriormente demonstrou
temperaturas negativas absolutas em um sistema magnético, chama o
último trabalho de “um tour de force experimental”.
Estados exóticos de alta energia que são difíceis de gerar em
laboratório a temperaturas positivas se tornam estáveis em temperaturas
absolutas negativas – “como se você pudesse virar uma pirâmide de
ponta cabeça e não se preocupar com ela caindo”, compara ele – e assim
técnicas desse tipo podem permitir que estados de alta energia assim
sejam estudados em detalhes. “Essa pode ser uma maneira de criar
novos materiais em laboratório”, adiciona Ketterle.
Se construídos, esses sistemas se comportariam de maneiras
estranhas, observa Achim Rosch, físico teórico da Universidade de
Cologne, na Alemanha, que propôs a técnica usada por Schneider e sua
equipe.
Rosch e seus colegas, por exemplo, calcularam que enquanto nuvens
de átomos seriam normalmente puxadas para baixo pela gravidade, se
parte da nuvem estiver em uma temperatura absoluta negativa, alguns
átomos se moverão para cima, aparentemente desafiando a gravidade.
Outra peculiaridade do gás a temperaturas abaixo do zero absoluto
é que ele imita a ‘energia escura’, a misteriosa força que fazem o Universo
se expandir a uma velocidade cada vez maior contra o arrasto gravitacional.
Schneider aponta que os átomos atrativos no gás produzido
pela equipe também tendem ao colapso, mas não o fazem porque a
temperatura negativa absoluta os estabiliza. “É interessante ver que
essa característica exótica está presente no Universo e também no
laboratório”, declara ele. “Os cosmólogos deveriam olhar [o fenômeno
registrado pelo experimento] mais de perto”.
Este artigo foi reproduzido com permissão da revista Nature. O artigo
foi publicado pela primeira vez em 3 de janeiro de 2013.
Após esses estudos de cientistas alemães, teoricamente não existe
uma escala efetivamente absoluta, no entanto, podemos ainda considerar,
com as devidas aproximações, a escala Kelvin como sendo absoluta.
Zeeya Merali e Revista Nature.
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• Resolvas as questões abaixo sobre escalas termométricas.
Exercícios
1.Lorde Kelvin (título de nobreza dado ao célebre físico William
Thompson, 1824-1907) estabeleceu uma associação entre
a energia de agitação das moléculas de um sistema e a sua
temperatura. Admitindo ainda a escala Kelvin como sendo
absoluta, Kelvin deduziu que a uma temperatura de –273,15 ºC,
também chamada de zero absoluto, a agitação térmica das
moléculas deveria cessar. Considere um recipiente com gás,
fechado e de variação de volume desprezível nas condições do
problema e, por comodidade, que o zero absoluto corresponde
a –273 ºC.
A) o equilíbrio térmico só é possível quando há contato direto entre
dois corpos e porque demanda sempre algum tempo para que a
troca de calor entre o corpo humano e o termômetro se efetive.
B) é preciso reduzir a interferência da pele, órgão que regula a
temperatura interna do corpo, e porque demanda sempre algum
tempo para que a troca de calor entre o corpo humano e o
termômetro se efetive.
C) o equilíbrio térmico só é possível quando há contato direto entre
dois corpos e porque é preciso evitar a interferência do calor
específico médio do corpo humano.
D) é preciso reduzir a interferência da pele, órgão que regula a
temperatura interna do corpo, e porque o calor específico médio
do corpo humano é muito menor que o do mercúrio e do vidro.
E) o equilíbrio térmico só é possível quando há contato direto entre
dois corpos e porque é preciso reduzir a interferência da pele,
órgão que regula a temperatura interna do corpo.
4.O texto a seguir foi extraído de uma matéria sobre congelamento
de cadáveres para sua preservação por muitos anos, publicada
no jornal O Estado de S. Paulo de 21/07/2002.
É correto afirmar:
A) O estado de agitação é o mesmo para as temperaturas de 100 ºC e
100 K.
B) À temperatura de 0 ºC, o estado de agitação das moléculas é o
mesmo que a 273 K.
C) As moléculas estão mais agitadas a –173 °C do que a –127 ºC.
D) A –32 ºC, as moléculas estão menos agitadas que a 241 K.
E) A 273 K, as moléculas estão mais agitadas que a 100 ºC.
2.Sabendo-se que, com as novas descobertas de cientistas
alemães, a escala Kelvin teoricamente não é mais considerada
absoluta, podemos caracterizar uma escala absoluta de temperatura
quando:
A) dividimos a escala em 100 partes iguais.
B) associamos o zero da escala ao estado de energia cinética
mínima das partículas de um sistema.
C) associamos o zero da escala ao estado de energia cinética
máxima das partículas de um sistema.
D) associamos o zero da escala ao ponto de fusão do gelo.
E) associamos o valor 100 da escala ao ponto de ebulição da água.
3. Quando se mede a temperatura do corpo humano com um
termômetro clínico de mercúrio em vidro, procura-se colocar
o bulbo do termômetro em contato direto com regiões mais
próximas do interior do corpo e manter o termômetro assim
durante algum tempo, antes de fazer a leitura. Esses dois
procedimentos são necessários porque:
2
Após a morte clínica, o corpo é resfriado com gelo. Uma injeção
de anticoagulantes é aplicada e um fluido especial é bombeado
para o coração, espalhando-se pelo corpo e empurrando para
fora os fluidos naturais. O corpo é colocado numa câmara com
gás nitrogênio, onde os fluidos endurecem em vez de congelar.
Assim que atinge a temperatura de –321º, o corpo é levado para
um tanque de nitrogênio líquido, onde fica de cabeça para baixo.
Na matéria, não consta a unidade de temperatura usada.
Considerando que o valor indicado de –321º esteja correto e
que pertença a uma das escalas (Kelvin, Celsius ou Fahrenheit),
pode-se concluir que foi usada a escala:
A) Kelvin, pois trata-se de um trabalho científico e esta é a unidade
adotada pelo Sistema Internacional.
B) Fahrenheit, por ser um valor inferior ao zero absoluto e, portanto,
só pode ser medido nessa escala.
C) Fahrenheit, pois as escalas Celsius e Kelvin não admitem esse
valor numérico de temperatura.
D) Celsius, pois só ela tem valores numéricos negativos para a
indicação de temperaturas.
E) Celsius, por tratar-se de uma matéria publicada em língua
portuguesa e essa ser a unidade adotada oficialmente no Brasil.
FB NO ENEM
Ciências
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5. Através de experimentos, biólogos observaram que a taxa de
canto de grilos de uma determinada espécie estava relacionada
com a temperatura ambiente de uma maneira que poderia ser
considerada linear.
Experiências mostraram que, a uma temperatura de 21º C, os
grilos cantavam, em média, 120 vezes por minuto; e, a uma
temperatura de 26º C, os grilos cantavam, em média, 180 vezes
por minuto. Conside T a temperatura em graus Celsius e n o
número de vezes que os grilos cantavam por minuto.
Anotações
T
26
21
120
180
n
Supondo que os grilos estivessem cantando, em média, 156
vezes por minuto, de acordo com o modelo sugerido nesta
questão, estima-se que a temperatura deveria ser igual a:
A) 21,5 ºC
B) 22 ºC
C) 23 ºC
D) 24 ºC
E) 25,5 ºC
FB no Enem – Nº 06 – Professor: Fábio Coelho
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4
5
6
E
A
A
B
C
D
Erbínio: 21/03/2013 - Rev.: AM
FB NO ENEM
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