Os físicos Lluís Masanes e Jonathan Oppenheim, da Universidade College London, no Reino Unido, derivaram a terceira lei da termodinâmica a partir dos primeiros princípios.
Em 1912, o químico Walther Nernst propôs que resfriar um objeto ao zero absoluto seria impossível com uma quantidade finita de tempo e recursos. Hoje, essa ideia, chamada de princípio de inatingibilidade, é a versão mais amplamente aceita da terceira lei da termodinâmica, mas ainda não tinha sido provada a partir dos dois primeiros princípios.
Depois de mais de 100 anos, o resultado deste estudo finalmente coloca a terceira lei no mesmo nível que a primeira e a segunda, ambas já provadas. Para provar a terceira lei, os físicos usaram ideias da ciência da computação e da teoria da informação quântica – por exemplo, quanto trabalho e espaço é preciso para executar uma tarefa.
O estudo foi apresentado em um artigo publicado na revista Nature.
“O objetivo principal da física fundamental é derivar todas as leis da Natureza, e descrever todos os fenômenos usando apenas um conjunto limitado de princípios básicos”, explicou um dos autores do estudo, Lluís Masanes, à Phys.org.
O que seria preciso para resfriar um objeto a zero absoluto — 0º Kelvin ou -273,15 °C? Os físicos mostraram que o resfriamento de um sistema a zero absoluto exigiria uma quantidade infinita de trabalho ou um reservatório infinito.
Essa constatação está de acordo com a explicação física amplamente aceita da inatingibilidade do zero absoluto: à medida que a temperatura se aproxima de zero, a entropia (desordem) do sistema se aproxima de zero também, e não é possível preparar um sistema num estado de entropia zero em um número de passos finitos.
O resultado levou os físicos a uma segunda pergunta: se não podemos alcançar o zero absoluto, então quão perto podemos chegar dele, com tempo e recursos finitos?
Os cientistas mostraram que temperaturas mais baixas podem ser obtidas com apenas um modesto aumento de recursos. Mas há limites. Por exemplo, um sistema não pode ser resfriado exponencialmente rapidamente, uma vez que isso resultaria em uma capacidade de calor negativo, o que é uma impossibilidade física.
Uma das melhores características dessa prova teórica é que ela se aplica não só a grandes sistemas clássicos (com os quais a termodinâmica tradicionalmente lida), mas também a sistemas quânticos e a qualquer tipo concebível de processo de resfriamento.
Por esta razão, os resultados têm implicações generalizadas e aplicações práticas.
O resfriamento a temperaturas muito baixas é, por exemplo, um componente-chave em muitas tecnologias, como os computadores quânticos e os sistemas de medições de alta precisão.
E entender o que é necessário para se aproximar do zero absoluto pode nos ajudar a orientar o desenvolvimento e a otimização de futuros protocolos de resfriamento para essas aplicações.
