A Terceira Lei da Termodinâmica afirma que, à medida que uma substância esfria a uma temperatura próxima do zero absoluto (-273,15°C ou 0 Kelvin), sua entropia, que é uma medida de desordem ou incerteza no sistema, se aproxima de um valor constante e finito.
Essa lei postula que chegar ao zero absoluto exigiria um número infinito de passos, sendo inatingível na prática. Além disso, sugere que todos os sistemas atingiriam um estado de ordem máxima e desordem mínima teórica naquela temperatura extrema, o que tem implicações fundamentais em campos como a física quântica e o estudo de novos materiais com propriedades extraordinárias em temperaturas ultrabaixas.
Aqui estão alguns exemplos que ilustram esse princípio:
Exemplo 1: cristais de gelo
Quando a água esfria a temperaturas próximas do zero absoluto, formam-se cristais de gelo. À medida que a temperatura diminui, as moléculas de água perdem energia e se organizam em uma estrutura altamente ordenada.
No zero absoluto, os cristais de gelo atingiriam seu ordenamento máximo.
Exemplo 2: Supercondutividade
A supercondutividade é um fenômeno da física que ocorre em certos materiais quando resfriados abaixo de uma temperatura crítica específica. Nessa temperatura crítica, os materiais supercondutores exibem uma propriedade única: a resistência elétrica desaparece completamente, permitindo que a eletricidade flua sem perda de energia.
A Terceira Lei da Termodinâmica explica a relação entre supercondutividade e redução de entropia em temperaturas ultrabaixas.
Em condições normais, quando aplicamos uma corrente elétrica através de um condutor, como um fio de cobre, os elétrons que transportam a eletricidade enfrentam obstáculos e colidem com os íons do material, o que gera resistência ao fluxo de elétrons. Essa resistência é responsável pela perda de energia na forma de calor e limita a eficiência dos aparelhos elétricos.
Porém, em um material supercondutor, em baixíssimas temperaturas próximas ao zero absoluto, algo surpreendente acontece: os elétrons formam "pares de Cooper". Esses pares são compostos de dois elétrons se unindo e se movendo juntos através do cristal sem experimentar resistência.
Exemplo 3: Hélio líquido
O hélio, um gás à temperatura ambiente, torna-se líquido a temperaturas extremamente baixas, próximas do zero absoluto.
À medida que o hélio esfria e se torna um líquido, seus átomos reduzem em energia e se movem com menos agitação, resultando em uma diminuição significativa na entropia.
Exemplo 4: Condensados de Bose-Einstein
Em temperaturas próximas do zero absoluto, alguns átomos se unem em um estado de agregação especial chamado condensado de Bose-Einstein.
Nesse estado quântico, os átomos perdem sua individualidade e se comportam como uma única entidade quântica. Esse fenômeno é possível graças à Terceira Lei da Termodinâmica, que afirma que a entropia diminui à medida que temperaturas extremamente baixas são atingidas.
Esse fenômeno foi previsto por Albert Einstein e pelo físico indiano Satyendra Nath Bose na década de 1920. A ideia é baseada nas estatísticas quânticas de Bose-Einstein, que descrevem o comportamento de partículas idênticas e indistinguíveis, como os fótons de luz ou os átomos que compõem certos elementos.
Em condições normais, em temperaturas mais altas, as partículas seguem uma distribuição estatística Fermi-Dirac (para férmions) ou Maxwell-Boltzmann (para bósons).
No entanto, quando as partículas são resfriadas a temperaturas extremamente baixas, seu comportamento quântico coletivo começa a dominar e elas tendem a "colapsar" no estado de energia mais baixo possível. Nesse ponto, um grande número de partículas ocupa um único estado quântico, formando o que é conhecido como condensado de Bose-Einstein.
Nesse estado quântico, as partículas perdem sua individualidade e se comportam como uma "superpartícula" coletiva, com propriedades quânticas macroscópicas. Toda substância se torna uma única entidade quântica
Exemplo 5: Hélio Sólido
Em temperaturas próximas do zero absoluto, o hélio líquido também pode solidificar. No estado sólido, o hélio apresenta um comportamento incomum, como a superfluidez, onde pode fluir sem resistência por capilares extremamente estreitos, desafiando as leis clássicas da física.
Exemplo 6: gelo seco
Gelo seco é dióxido de carbono (CO2) em estado sólido a temperaturas muito mais baixas do que o ponto de congelamento da água. Ao contrário da água, que congela a 0°C, o CO2 solidifica diretamente como gelo seco a -78,5°C (-109,3°F) à pressão atmosférica normal.
Quando o gelo seco está em temperaturas próximas do zero absoluto, ele se comporta de maneira semelhante a outros sólidos nessas temperaturas extremamente baixas. As moléculas de CO2 que compõem o gelo seco têm sua energia cinética drasticamente reduzida, resultando em uma estrutura altamente ordenada e uma diminuição significativa da entropia. Nesse estado, o gelo seco atingiria seu ordenamento térmico máximo possível à temperatura ambiente.
O gelo seco é amplamente utilizado em aplicações como refrigerante, na indústria de alimentos, no transporte de materiais sensíveis ao calor e como efeito especial na indústria de teatro e entretenimento.
