Cientistas alcançam o que se pensava impossível: violar a 2ª lei da termodinâmica

Impressão artística da nanopartícula em uma armadilha laser

A segunda lei da termodinâmica diz, em termos simples, que a entropia de um sistema fechado tende a aumentar até atingir o valor máximo para aquele sistema. Pode-se pensar nesta lei de forma simples como a de que dois sistemas em contato tendem a entrar em equilíbrio, seja ele de pressão, de temperatura, ou de densidade.

Uma das consequências simples é que, em um ambiente morno, você não vai ver uma poça de água congelar. Um boneco de neve, com o calor, derrete, mas a água não vai retornar a ser um boneco de neve, pelo menos não naturalmente.

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Da mesma forma, uma xícara quente vai resfriar até ficar à temperatura ambiente, e então vai parar de trocar calor – não vai ficar espontaneamente mais quente, nem mais fria do que o ambiente que a cerca.

Nanoescalas, a exceção

Aparentemente, isto só vale para objetos macroscópicos. Quando entramos no reino das nanopartículas, as coisas são diferentes. Pelo menos foi esta a conclusão que chegou uma equipe de pesquisadores que une físicos da Universidade de Viena (Áustria), do Instituto de Ciências Fotônicas em Barcelona (Espanha) e do Instituto Federal Suíço de Tecnologia em Zurique (Suíça).

Trabalhando com a matemática da Mecânica Quântica, eles chegaram a uma previsão de que, em certas condições, um sistema de nanopartículas poderia violar, mesmo que por um tempo curtíssimo, a segunda lei da termodinâmica.

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De posse do teorema, a equipe montou um aparato para verificar se ele era verdadeiro. Basicamente, eles usaram raio laser para imobilizar uma minúscula esfera de vidro, com diâmetro pouco menor de 100 nm.

Nesta armadilha laser, foi possível medir com precisão incrível a posição exata da esfera de vidro, e observar seu comportamento à medida que ela era atingida pelas moléculas de um gás que ocupava a câmera da armadilha.

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Observando o impensável

Quando um par de partículas colide, elas trocam energia. Em condições normais, se você tem um gás com porções em duas temperaturas diferentes, a colisão das partículas nas diferentes temperaturas equaliza, distribuindo a energia cinética das moléculas, e equilibrando a temperatura do gás.

Com o laser, os cientistas imobilizaram a pequena esfera de vidro e diminuíram sua temperatura até uma inferior à das moléculas do gás. Nestas condições, esperava-se que a esfera recebesse calor das moléculas.

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E foi o que aconteceu – toda vez que a esfera era colocada em uma temperatura inferior à do gás, ela lentamente ia aumentando a temperatura, mas, em alguns momentos do período em que estava estabilizando a temperatura, a nano-esfera se comportava de forma diversa, liberando calor para o meio que era mais quente que ela.

Consequências

Violar a segunda lei da termodinâmica, mesmo que por instantes, não é pouca coisa, mas é melhor não esperar que os cacos da vidraça se juntem espontaneamente em uma vidraça inteira de novo. Pelo menos por enquanto.

A demonstração da violação da segunda lei aconteceu em condições especiais: nanoesferas de vidro, levitação usando laser, resfriamento usando laser. Não é o suficiente para invalidar toda a lei, mas ela terá que ser reescrita para escalas nanométricas.

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Mesmo assim, existem algumas aplicações práticas para este trabalho, com nanomotores, por exemplo, ou componentes de células vivas. Todos eles são submetidos ao golpeio aleatório do movimento termal das moléculas que os cercam, e estas condições ficam mais severas quando a escala fica menor. [Universidade de Viena, Phys.Org]

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