Definição
Conforme você remove o calor de uma substância, sua temperatura cai. As partículas da substância se movem cada vez mais devagar. O que acontece se você continuar removendo o calor da substância? Você alcançará uma temperatura em que quase todo o movimento das partículas pára. A temperatura é chamada de zero absoluto e é a temperatura mais baixa possível. É igual a -273oC (-459oF). Você não pode ter uma temperatura inferior a zero absoluto. Você pode pensar em zero absoluto como a temperatura em que as moléculas estão completamente congeladas, sem movimento. Tecnicamente, as moléculas nunca ficam absolutamente imóveis, mas a energia cinética é tão pequena que pode ser zero.
Limites de temperatura
Você pode dizer que o fogo é quente e o freezer é frio. Mas as temperaturas dos objetos do cotidiano são apenas uma pequena parte da ampla gama de temperaturas presentes no universo, conforme mostrado nesta figura:
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As temperaturas no universo variam de pouco acima do zero absoluto a mais de 10 elevado à décima potência K. As temperaturas não parecem ter um limite superior. O interior do Sol tem pelo menos 1,5x10 elevado à 7ª potência C. Os núcleos das supernovas são ainda mais quentes. Por outro lado, os gases liquefeitos podem ser muito frios. Por exemplo, o hélio se liquefaz a -269oC. Mesmo temperaturas mais frias podem ser alcançadas usando-se propriedades especiais de sólidos, isótopos de hélio e átomos e lasers.
As temperaturas, entretanto, têm um limite inferior. Geralmente, os materiais se contraem à medida que esfriam. Se um gás atômico ideal em um balão fosse resfriado a -273,15oC, ele se contrairia de tal forma que ocuparia um volume que é apenas do tamanho dos átomos, e os átomos ficariam imóveis. Nessa temperatura, toda a energia térmica que poderia ser removida foi removida do gás, e a temperatura não pode ser reduzida mais. Portanto, não pode haver temperatura inferior a -273,15oC, que é chamada de zero absoluto.
Exemplos
As escalas de temperatura Fahrenheit e Celsius têm pouco ou nada a ver com a natureza fundamental do conceito de temperatura. Afinal, o ponto de congelamento da água na pressão atmosférica da Terra não tem relação óbvia com nenhum aspecto básico do Universo. Presumivelmente, um cientista alienígena em um planeta que não tem água criará um termômetro que mede a temperatura igualmente bem. Mais especificamente, poderia haver um zero universal de temperatura ligado à própria essência da matéria e energia, um zero que todos os cientistas (humanos ou não) poderiam descobrir? A resposta é sim, e é chamado de zero absoluto da temperatura .
Vejamos o histórico das medições de temperatura para entender melhor a natureza do zero absoluto. Como tantas outras quantidades físicas, a temperatura foi medida muito antes de ser compreendida. Galileu parece ter inventado (ca.1592) o primeiro dispositivo para indicar 'graus de gostosura'. Conforme mostrado na imagem abaixo, ele simplesmente colocou a ponta de um frasco invertido de gargalo estreito, aquecido em suas mãos, em uma tigela de água (ou vinho). À medida que esfriava, o líquido era sugado, enchendo parcialmente o pescoço.
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Este era o termoscópio de Galileu. Não é chamado de termômetro, porque a escala era arbitrária. O globo do tamanho de um ovo no topo é o sensor. O gás dentro dele se expande ou se contrai, e o nível do líquido sobe e desce.
O ar capturado no bulbo no topo expandiu ou contraiu quando subsequentemente aquecido ou resfriado, e a coluna caiu ou aumentou proporcionalmente. O mesmo efeito pode ser visto colocando um balão inflado no freezer. As moléculas de gás dentro do balão o mantêm inflado, bombardeando constantemente as paredes internas. Resfriar o gás, removendo a energia cinética de suas moléculas, diminui seu salto e causa o colapso do balão.
As aplicações médicas do termômetro foram reconhecidas quase imediatamente, e a temperatura corporal normal se tornou um foco de interesse. Em 1631, J. Rey, um médico francês, inverteu o dispositivo de Galileu, enchendo o bulbo com água e deixando grande parte do caule com ar. Nessa configuração, mais parecida com o termômetro de hoje, a expansão do líquido opera o aparelho. Nos 70 anos da invenção de Galileu, termômetros lacrados de bolso contendo álcool ou mercúrio estavam em uso.
Explorando o comportamento da matéria com o auxílio do termômetro, logo se tornou evidente que havia uma série de ocorrências físicas que aconteciam em temperaturas fixas. Em 1665, Boyle, Hooke e Huygens, cientistas naturais europeus, reconheceram de forma independente que esse fato poderia fornecer um ponto de referência confiável para qualquer termômetro. Hooke sugeriu usar o ponto de congelamento da água, e Huygens ofereceu seu ponto de ebulição. Em 1694, um cientista italiano Carlo Rinaldini usou os pontos de congelamento e ebulição da água para padronizar dois pontos amplamente espaçados em seu termômetro.
Como veremos, a maneira pela qual qualquer material - mercúrio, álcool, água, vidro, qualquer que seja - se expande com o aquecimento é característica desse material. O que isso significa na prática é que termômetros que diferem em sua construção física e, ainda assim, têm os mesmos dois pontos de referência fixos, necessariamente concordarão exatamente apenas nesses dois pontos.
A gama de temperaturas com que lidamos é extensa, e agora existe um arsenal completo de diferentes tipos de termômetros, cada um com suas próprias virtudes. O conhecido instrumento de mercúrio em vidro só é útil entre os pontos onde o mercúrio congela e o vidro derrete. Além disso, ele pode ser usado de forma confiável apenas quando sua presença não afeta a temperatura que está sendo determinada. Se você quiser medir a temperatura de uma pulga ou de uma bola de fogo termonuclear, o velho modo de espera de mercúrio em vidro não ajudará muito. Assim, existem termômetros de resistência elétrica, termômetros ópticos, termopares e termômetros de gás de volume constante, para citar alguns. Destes, o padrão de precisão e reprodutibilidade ainda é o instrumento de gás de volume constante, conforme mostrado na figura abaixo, embora seja grande, lento, delicado e inconveniente.
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Por volta de 1702, Guillaume Amontons desenvolveu uma melhoria no termoscópio de Galileu que evoluiu para o moderno termômetro de gás de volume constante mostrado aqui.
Vamos dar uma olhada no que acontece com um gás típico quando sua temperatura diminui.
A imagem abaixo mostra o comportamento de um gás em volume constante. Conforme o gás é resfriado, seus átomos perdem parte de sua energia térmica; eles viajam mais lentamente e colidem com as paredes da câmara com menos frequência e menos força. Como resultado, a pressão na câmara cai. Todos os gases se comportam essencialmente da mesma maneira. Seus gráficos P versus T têm inclinações diferentes, mas são todos linhas retas e todos se dirigem para -273,15oC.
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A característica importante é que o gráfico é uma linha reta - a pressão cai linearmente até que o gás se liquefaça e o processo termine abruptamente. Notavelmente, todos os gases se comportam quase da mesma maneira. Além disso, quando a linha reta para qualquer gás é estendida para baixo, ela cruza o eixo de pressão zero a uma temperatura de -273,15oC, ou zero absoluto.
Da mesma forma, se a pressão for mantida constante, o volume de um gás entrará em colapso linearmente, novamente se aproximando do eixo do volume zero no mesmo -273,15oC como na figura abaixo. Acredita-se agora que esse ponto seja o próprio limite da temperatura baixa: zero absoluto.
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À medida que a temperatura de um gás diminui, seus átomos ficam menos energéticos. Para manter a pressão constante, o volume deve diminuir, o que tornará mais fácil para os átomos atingirem as paredes da câmara com freqüência, sustentando assim a pressão. Todos os gases encolhem em direção ao volume zero em T = -273,15oC.
Amontons, estudando o comportamento de vários gases, mostrou que cada volume mudava na mesma porcentagem para uma dada mudança de temperatura. Astutamente, ele reconheceu que uma diminuição na pressão até zero acompanharia uma diminuição na temperatura até algum valor limite de frio. Mais tarde, JH Lambert repetiu esses experimentos com maior precisão, concluindo (cerca de 1779) que realmente havia um limite de temperatura. “Agora, um grau de calor igual a zero”, escreveu Lambert, “é realmente o que pode ser chamado de frio absoluto”.
O zero absoluto certamente parece o lugar para começar uma escala de temperatura. Mesmo assim, a ideia recebeu pouca atenção por bem mais de meio século. Então, em 1848, William Thomson (mais tarde se tornaria Lord Kelvin) formalizou a ideia teoricamente. Com base em considerações termodinâmicas muito diferentes, ele propôs uma escala de temperatura absoluta que se mostrou em perfeita concordância com os resultados do termômetro de gás de volume constante.
Hoje, a referência prática de temperatura do laboratório é o ponto triplo da água: a circunstância única de temperatura (0,01oC) e pressão (610Pa) onde sólido, líquido e vapor coexistem. O zero absoluto (-273,15oC) e o ponto triplo (0,01oC) são separados por 273,16 graus Celsius.
Resumo da lição
A temperatura mais baixa possível é zero absoluto . Você não pode ter uma temperatura inferior a zero absoluto. Quando um zero absoluto é alcançado, todo o movimento das partículas efetivamente pára.