Por que existe um limite para o frio, mas não para o calor?

Descrição da imagem: A teoria do zero absoluto e as temperaturas extremas no universo. Fonte da imagem: Astronoo IA.

Noção de zero absoluto

O zero absoluto, definido como 0 K (kelvin) ou -273,15 °C, representa a temperatura teórica mais baixa possível. Nesta temperatura, os átomos estão em seu estado fundamental mais baixo e cessam todo movimento, exceto por efeitos quânticos residuais. Isso marca um limite, pois, segundo os princípios da termodinâmica, uma energia cinética negativa é impossível, o que explica por que não podemos descer abaixo de 0 K.

Por que é impossível uma energia cinética negativa?

Esta fórmula, em que m é a massa da partícula e v a sua velocidade, mostra que a energia cinética depende da massa e do quadrado da velocidade. Na física clássica, a massa é sempre positiva. Por outras palavras, a energia cinética nunca pode ser negativa, porque os termos físicos que a definem, como massa e quadrado da velocidade, não permitem valores negativos.

$$Ec = \frac{1}{2} mv^2$$

Na termodinâmica, a temperatura é uma medida da energia cinética média das partículas em um sistema. Uma temperatura de 0 K corresponde ao zero absoluto, onde as partículas estão em seu estado fundamental e não possuem mais movimento térmico, resultando em uma energia cinética média nula. Descer abaixo desse ponto exigiria uma energia cinética negativa, significando um movimento "abaixo" da imobilidade absoluta, o que é fisicamente absurdo tanto na mecânica clássica quanto na quântica.

O terceiro princípio da termodinâmica diz que, quando a temperatura de um sistema atinge o zero absoluto (0 K), a entropia, ou a "desordem" das partículas, se torna mínima. Em outras palavras, nesta temperatura, as partículas estão em um estado de ordem perfeita, sem qualquer agitação térmica. Em um sistema ideal, isso significa que a entropia é nula, pois todas as partículas estão perfeitamente alinhadas e imóveis.

A 0 K, em um sistema ideal, a desordem térmica é nula porque as partículas não têm mais agitação térmica e estão congeladas em um estado perfeitamente ordenado. Isso significa que não há mais possibilidade de desordem adicional.

No entanto, mesmo a 0 K, algumas partículas mantêm uma ligeira "desordem" ou movimento residual devido aos efeitos quânticos. Mas, do ponto de vista clássico e em um sistema perfeitamente ordenado, realmente não há mais desordem possível nesta temperatura.

N.B.: Se a massa for hipoteticamente negativa, então a energia torna-se negativa, mas isso está fora do âmbito da física clássica e exigiria um modelo teórico específico e novas interpretações para compreender o que significa energia cinética negativa. Atualmente, nenhuma observação ou experiência demonstrou a existência de massas negativas.

Por que não há limite superior para a temperatura?

Ao contrário do frio, o calor não tem um limite superior intrínseco. A temperatura é uma medida da energia cinética média das partículas, e nada impede, teoricamente, que se adicione continuamente energia. Em condições extremas, como as encontradas durante a criação do universo, as temperaturas podiam atingir bilhões, ou até trilhões de kelvins. Essas altas temperaturas são limitadas apenas pela capacidade das fontes de energia disponíveis, e não por um limite físico inerente.

Conclusão

Em resumo, o zero absoluto representa um limite físico devido à impossibilidade de reduzir a energia das partículas abaixo de seu estado fundamental (imobilidade absoluta). Por outro lado, não existe nenhuma barreira fundamental para temperaturas extremamente altas (agitação extrema).