A temperatura é uma medida que está relacionada à energia cinética
média das moléculas de uma substância. Esfriar o corpo ou gás é diminuir
a agitação térmica ou energia cinética, e aumentar a temperatura é
aumentar a agitação térmica, ou energia cinética das moléculas.
Olhando por este aspecto, a menor temperatura é aquela em que as
moléculas não têm mais energia cinética, e é chamada de “zero absoluto”,
porque se entende que não tem temperatura mais baixa.
Agora, alguns pesquisadores alegam ter conseguido temperaturas mais
baixas em uma “região” estranha, chamada de “temperaturas negativas”. E o
mais esquisito é que eles dizem que uma maneira de entender estas
temperaturas é pensar nelas como sendo mais quentes que uma temperatura
infinita.
Esta estranha conquista pode, segundo eles, levar a motores que
tecnicamente poderiam ter mais de 100% de eficiência, e lançar uma luz
em alguns mistérios da física moderna, como a “energia escura”, a força
que está acelerando a expansão do universo.
Para entender as temperaturas negativas que os cientistas estão
falando, é preciso pensar em uma escala de temperatura que não é linear,
mas está em um “laço”. As temperaturas positivas estão de um lado e as
temperaturas negativas do outro. Quando as temperaturas ficam abaixo do
zero absoluto ou além do infinito, elas entram na região da escala de
temperatura negativa.
Quando a temperatura é positiva, diferentes átomos estão com
diferentes estados de energia, mas eles têm uma probabilidade maior de
estar em estados de energia baixos, em vez de altos, um padrão conhecido
na física como distribuição de Boltzmann. Conforme você aquece o
objeto, os átomos podem atingir estados de energia mais altos. No zero
absoluto, os átomos ocupam o estado de energia mais baixo.
Em uma temperatura infinita, temos átomos em todos os estados de
energia. As temperaturas negativas seriam então o contrário da
temperatura positiva, e os átomos teriam maior probabilidade de ocupar
estados de energia altos em vez de baixos. Esta seria a distribuição de
Boltzmann invertida.
Em outras palavras, o gás está mais quente que no zero absoluto; está
até mesmo mais quente que em qualquer temperatura infinita, mas está
com a distribuição de Boltzmann invertida, o que faz da temperatura uma
temperatura negativa.
E objetos com temperatura negativa se comportam de forma estranha.
Por exemplo, a energia tipicamente flui de objetos com alta temperatura
positiva para objetos com temperatura positiva baixa, ou seja, objetos
mais quentes aquecem objetos mais frios, até que seja atingido o
equilíbrio térmico.
Mas, no caso de objetos com temperatura negativa, a energia sempre
vai fluir deles para os objetos com temperaturas positivas. Ou seja,
objetos com temperatura negativa sempre estão “mais quentes” que objetos
com temperatura positiva.
Outra consequência estranha das temperaturas negativas tem a ver com a
entropia. Quando objetos com temperatura positiva liberam energia, eles
aumentam a entropia do seu entorno, mas objetos com temperatura
negativa, ao liberar energia, absorvem entropia.
Para gerar temperaturas negativas, os cientistas criaram um sistema
onde os átomos têm um limite máximo para a energia que podem conter.
Eles resfriaram cerca de 100.000 átomos para uma temperatura de alguns
nanokelvins, ou bilionésimos de graus acima do zero absoluto.
Isto foi feito em uma câmera de vácuo, que isolava os átomos de
qualquer influência que poderia aquecê-los acidentalmente. O
comportamento de cada átomo foi controlado com precisão, usando uma rede
de laser e campos magnéticos. Com a posição dos átomos limitada pelos
raios laser, sua energia cinética também foi limitada.
A temperatura também está ligada à pressão – quanto mais quente algo
é, mais ele expande, e quanto mais frio, mais contrai. Para
certificar-se de que o gás tivesse uma temperatura negativa, eles também
tiveram que fazer que ele tivesse uma pressão negativa, mexendo com as
interações até que eles se atraíssem mais do que se repelissem.
“Criamos o primeiro estado de temperatura absoluta negativa para
partículas móveis”, afirmou o pesquisador Simon Braun, da Universidade
de Munique, na Alemanha. A temperatura obtida foi de alguns nanokelvins
negativos.
Temperaturas negativas podem ser usadas para criar máquinas térmicas –
que convertem energia térmica em trabalho mecânico – que tenham mais de
100% de eficiência, algo que parece impossível. Estas máquinas não
absorveriam energia de substâncias mais quentes, mas de substâncias mais
frias. Desta forma, o trabalho realizado poderia ser maior que a
energia tomada de uma substância quente.
As temperaturas negativas também podem ajudar a resolver um dos
grandes mistérios da ciência: a energia escura. A energia escura acelera
a expansão do universo, afastando as galáxias. No caso da temperatura
negativa, a pressão negativa do gás frio deveria fazer com que o mesmo
entrasse em colapso, mas a temperatura negativa impede que isto
aconteça. De uma certa forma, as temperaturas negativas têm um paralelo
interessante com a energia escura que pode ajudar os cientistas a
entender esse enigma.
Finalmente, as temperaturas negativas também podem lançar uma luz
sobre os estados exóticos da matéria, gerando sistemas que normalmente
não ficariam estáveis. Mais ainda, o pesquisador Schneider observou que
“uma melhor compreensão da temperatura pode levar a coisas novas que
ainda nem foram pensadas. Quando se estuda o básico em bastante
profundidade, você não sabe onde isto pode te levar”.
Fonte: http://hypescience.com/
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