{"id":1206,"date":"2013-01-04T17:05:10","date_gmt":"2013-01-04T20:05:10","guid":{"rendered":"http:\/\/scienceblogs.com.br\/chivononpo\/?p=1206"},"modified":"2013-01-04T17:05:10","modified_gmt":"2013-01-04T20:05:10","slug":"essa-e-quente-temperaturas-absolutas-negativas","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/chivononpo\/2013\/01\/04\/essa-e-quente-temperaturas-absolutas-negativas\/","title":{"rendered":"Essa \u00e9 quente: temperaturas (absolutas) negativas"},"content":{"rendered":"

Max-Planck-Gesellschaft<\/a><\/p>\n

Uma temperatura abaixo do zero absoluto<\/h1>\n

\u00c1tomos a temperaturas absolutas negativas s\u00e3o os sistemas mais quentes do mundo<\/h2>\n\n\n\n\n\n
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\"\"<\/td>\n\"\"<\/td>\n\"\"<\/a>\"\"\u00a0IMAGEM:<\/b><\/a>\u00a0Uma temperatura negativa quente: Em uma temperatura absoluta negativa, a distribui\u00e7\u00e3o de energia das part\u00edculas se inverte, em compara\u00e7\u00e3o com uma temperatura positiva.Clique aqui para mais informa\u00e7\u00f5es (em ingl\u00eas).<\/a><\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

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O que \u00e9 corriqueiro para a maior parte das pessoas durante o inverno, at\u00e9 agora era imposs\u00edvel na f\u00edsica: uma temperatura negativa. Na escala\u00a0Celsius, uma temperatura negativa s\u00f3 \u00e9 surpreendente durante o ver\u00e3o. Na escala absoluta de temperaturas \u2013 tamb\u00e9m chamada de escala Kelvin \u2013 usada pelos f\u00edsicos, n\u00e3o \u00e9 poss\u00edvel ir abaixo do zero \u2013 pelo menos n\u00e3o no sentido de ficar mais frio do que zero Kelvin. Segundo o significado de temperatura para a f\u00edsica, a temperatura de um g\u00e1s \u00e9 determinada pelo movimento ca\u00f3tico de suas part\u00edculas \u2013 quanto mais frio um g\u00e1s, mais lentas ser\u00e3o suas part\u00edculas. A zero kelvin (menos 273 graus Celsius) as part\u00edculas param de se mover e toda a desordem desaparece. Desta forma, nada pode ser mais frio do que o zero absoluto na escala Kelvin. Os f\u00edsicos da Universidade Ludwig-Maximilians em Munique e do Instituto Max Planck de \u00d3ptica Qu\u00e2ntica criaram agora em laborat\u00f3rio um g\u00e1s at\u00f4mico que, n\u00e3o obstante, apresenta valores Kelvin negativos. Estas temperaturas absolutas negativas causam v\u00e1rias consequ\u00eancias aparentemente absurdas: embora os \u00e1tomos se atraiam mutuamente e criem uma press\u00e3o negativa, o g\u00e1s n\u00e3o entra em colapso \u2013 um comportamento igualmente postulado para a energia escura na cosmologia. M\u00e1quinas supostamente imposs\u00edveis, tais como um motor de combust\u00e3o com uma efici\u00eancia termodin\u00e2mica maior que 100%, tamb\u00e9m podem ser imaginadas com a ajuda de temperaturas absolutas negativas.<\/p>\n

Para levar \u00e1gua \u00e0 fervura, \u00e9 preciso adicionar energia. \u00c0 medida em que a \u00e1gua se aquece, as mol\u00e9culas de \u00e1gua t\u00eam sua energia cin\u00e9tica aumentada ao longo do tempo e se movem cada vez mais r\u00e1pido em m\u00e9dia. Ainda assim, cada mol\u00e9cula individual tem uma energia cin\u00e9tica diferente \u2013 desde muito lentas at\u00e9 muito r\u00e1pidas. Os estados de baixa energia s\u00e3o mais prov\u00e1veis do que os estados de alta energia, isto \u00e9, somente algumas part\u00edculas se movem muito r\u00e1pido. Na f\u00edsica, esta distribui\u00e7\u00e3o [de estados] \u00e9 chamada de distribui\u00e7\u00e3o de Boltzmann<\/a>. Os f\u00edsicos que trabalham com Ulrich Schneider e Immanuel Bloch agora obtiveram um g\u00e1s no qual esta distribui\u00e7\u00e3o \u00e9 precisamente invertida: muitas part\u00edculas t\u00eam altas energias e umas poucas t\u00eam baixas energias. Esta invers\u00e3o da distribui\u00e7\u00e3o de energia se traduz como se as part\u00edculas tivessem assumido uma temperatura negativa.<\/p>\n

“A distribui\u00e7\u00e3o de Boltzmann invertida \u00e9 o marco da temperatura absoluta negativa e foi isso o que conseguimos”, diz Ulrich Schneider. “Entretando o g\u00e1s n\u00e3o \u00e9 mais frio do que zero kelvin, por\u00e9m mais quente”, explica o f\u00edsico: “\u00c9 mais quente ainda do que quaisquer temperaturas positivas \u2013 a escala de temperaturas simplesmente n\u00e3o termina no infinito; ao inv\u00e9s disso, ela salta para valores negativos”.<\/p>\n

Uma temperatura negativa s\u00f3 pode ser obtida com um limite superior para a energia<\/b><\/p>\n

O significado de uma temperatura absoluta negativa pode ser melhor ilustrado com esferas rolantes em um terreno montanhoso, onde os vales representam uma baixa energia potencial e os topos uma alta energia. Quanto mais r\u00e1pido as esferas se moverem, mais alta ser\u00e1 sua energia cin\u00e9tica: se come\u00e7armos com uma temperatura positiva e aumentarmos a energia total das esferas, aquecendo-as, as esferas v\u00e3o se espalhar, cada vez mais, pelas regi\u00f5es de alta energia. Se fosse poss\u00edvel aquecer as esferas a uma temperatura infinita, haveria uma probabilidade igual de as encontrarmos em qualquer ponto do terreno, sem qualquer diferen\u00e7a da energia potencial. Se fosse poss\u00edvel adicionar ainda mais energia e aquecer as esferas ainda mais, elas tenderiam a ser reunir em estados de alta energia e ficariam ainda mais quentes do que em uma temperatura infinita. A\u00a0distribui\u00e7\u00e3o\u00a0de Boltzmann seria invertida e a temperatura, portanto, seria negativa. \u00c0 primeira vista pode parecer estranho que uma temperatura absoluta negativa seja mais quente do que uma positiva. No entanto, isto \u00e9 apenas uma consequ\u00eancia da defini\u00e7\u00e3o hist\u00f3rica de temperatura absoluta; se houvesse uma defini\u00e7\u00e3o diferente, a aparente contradi\u00e7\u00e3o n\u00e3o existiria.<\/p>\n

Esta invers\u00e3o da popula\u00e7\u00e3o de estados de energia n\u00e3o \u00e9 poss\u00edvel com a \u00e1gua ou qualquer outro sistema natural, uma vez que o sistema teria que absorver uma quantidade infinita de energia \u00a0\u2013 O que \u00e9 imposs\u00edvel! No entanto, se as part\u00edculas tivessem um limite superior para sua energia, tal como o topo dos montes em nosso terreno de energias potenciais, a situa\u00e7\u00e3o seria completamente diferente. Os pesquisadores do grupo de pesquisa de Immanuel Bloch e Ulrich Schneider obtiveram um sistema assim, de um g\u00e1s at\u00f4mico com um limite superior de energia em seu laborat\u00f3rio, seguindo as propostas te\u00f3ricas de Allard Mosk e Achim Rosch.<\/p>\n\n\n\n\n\n\n\n
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\"\"\"\"\u00a0IMAGEM:<\/b><\/a>\u00a0A temperatura representada como esferas em um terreno montanhoso: A distribui\u00e7\u00e3o de\u00a0Boltzmann estabelece quantas part\u00edculas podem ter qual energia.<\/p>\n

Clique aqui para mais informa\u00e7\u00f5es (em ingl\u00eas).<\/a><\/p>\n<\/td>\n

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Em sua experi\u00eancia, os cientistas primeiro resfriaram cerca de cem mil \u00e1tomos em uma c\u00e2mara de v\u00e1cuo at\u00e9 uma temperatura positiva de poucos bilion\u00e9simos de grau Kelvin e os capturaram em armadilhas \u00f3pticas feitas com raios laser. O v\u00e1cuo ultra alto em torno dos \u00e1tomos garantiu que os \u00e1tomos ficassem\u00a0perfeitamente\u00a0isolados termicamente de seu ambiente. Os feixes de laser criaram uma, assim chamada, grade \u00f3ptica, na qual os \u00e1tomos ficam arrumados regularmente nas casas da grade. Nessa grade, os \u00e1tomos ainda podem se mexer de uma casa para outra, atrav\u00e9s do efeito de t\u00fanel, mas, mesmo assim, sua energia cin\u00e9tica tem um limite superior e, portanto, fica estabelecido o limite superior de energia necess\u00e1rio. A temperatura, entretanto, \u00e9 relacionada n\u00e3o apenas com a energia cin\u00e9tica, mas \u00e0 energia total das part\u00edculas, o que, neste caso, inclui as energias interativa e potencial. O sistema dos pesquisadores de Munique e Garching tamb\u00e9m estabelece um limite a ambas. Os f\u00edsicos ent\u00e3o levam os \u00e1tomos at\u00e9 esse limite superior de energia total \u2013 criando assim uma temperatura negativa, no entorno de uns poucos bilion\u00e9simos de grau kelvin.<\/p>\n

Em uma temperatura negativa, uma m\u00e1quina pode realizar mais trabalho<\/b><\/p>\n

Se nossas esferas tivessem uma temperatura positiva e ficassem em um vale de energia potencial m\u00ednima, tal estado seria obviamente est\u00e1vel \u2013 essa \u00e9 a natureza que conhecemos. Se as esferas estivessem posicionadas no topo de uma montanha na energia potencial m\u00e1xima, usualmente elas rolariam para baixo, convertendo sua energia potencial em cin\u00e9tica. “Entretanto, se as esferas estiverem em uma temperatura negativa, sua energia cin\u00e9tica j\u00e1 ser\u00e1 t\u00e3o grande que n\u00e3o pode mais ser aumentada”, explica Simon Braun, um estudante de doutorado do grupo de pesquisas. “Assim, as esferas n\u00e3o podem rolar para baixo e permanecem no topo do morro. O limite de energia as tornou est\u00e1veis, portanto!” O estado de temperatura negativa na experi\u00eancia \u00e9, em verdade, t\u00e3o est\u00e1vel quanto um estado de temperatura positiva. “Desta forma n\u00f3s criamos o primeiro estado de temperatura absoluta negativa para part\u00edculas m\u00f3veis”, acrescenta Braun.<\/p>\n

A mat\u00e9ria em uma temperatura absoluta negativa tem todo um leque de consequ\u00eancias espantosas: com ajuda dela, se pode criar motores t\u00e9rmicos, tais como motores de combust\u00e3o, com uma efici\u00eancia maior que 100%. Isso, por\u00e9m, n\u00e3o quer dizer que a lei de conserva\u00e7\u00e3o de energia seja violada. Em lugar disso, o motor seria capaz de absorver energia n\u00e3o s\u00f3 do meio mais quente – e assim realizar trabalho – como, em contraste com o caso usual, poderia absorver tamb\u00e9m energia do meio mais frio.<\/p>\n

Em temperaturas apenas positivas, o meio mais frio inevitavelmente se aquece, absorvendo assim uma parte da energia do meio quente e, desta forma, limitando a efici\u00eancia. Se o meio quente tiver uma temperatura negativa, \u00e9 poss\u00edvel absorver energia de ambos os meios simultaneamente. O trabalho realizado pelo motor, ent\u00e3o, ser\u00e1 maior do que a energia inserida apenas no meio quente \u2013 e a efeici\u00eancia sera maior do que 100%.<\/p>\n

A realiza\u00e7\u00e3o dos f\u00edsicos de Munique pode ser tamb\u00e9m interessante para a cosmologia, uma vez que o comportamento termodin\u00e2mico da temperatura negativa exibe semelhan\u00e7as com a assim chamada energia escura. Os cosmologistas postulam que a energia escura \u00e9 uma for\u00e7a misteriosa que acelera a expans\u00e3o do universo, embora o cosmos devesse se contrair por conta da energia da atra\u00e7\u00e3o gravitacional de todas as massas. Ocorre um fen\u00f4meno similar na nuvem at\u00f4mica do laborat\u00f3rio de Munique: a experi\u00eancia se apoia no fato de que os \u00e1tomos no g\u00e1s n\u00e3o se repelem mutuamente, tal como em um g\u00e1s ususal; ao contr\u00e1rio, eles se atraem. Isso significa que os \u00e1tomos exercem uma press\u00e3o negativa, em lugar de uma press\u00e3o positiva. Como consequ\u00eancia, a nuvem de \u00e1tomos quer se contrair e deveria entrar em colapso \u2013 exatamente como seria de se esperar do universo sob o efeito da gravidade. Por\u00e9m, por causa da sua temperatura negativa, isso n\u00e3o acontece. O g\u00e1s \u00e9 poupado do colapso, tal como o universo.<\/p>\n

###<\/div>\n

Publica\u00e7\u00e3o original:<\/b><\/p>\n

Simon Braun, J. Philipp Ronzheimer, Michael Schreiber, Sean S. Hodgman, Tim Rom, Immanuel Bloch, Ulrich Schneider Negative Absolute Temperature for Motional Degrees of Freedom
\nScience<\/i>, 4 January 2013<\/p>\n

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