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

Por| Editado por Patricia Gnipper | 21 de Novembro de 2022 às 18h20

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NASA/CXC/M.Weiss
NASA/CXC/M.Weiss

A temperatura mínima possível para qualquer matéria do universo é de 0 Kelvin, que corresponde a -273,15 °C, mas a temperatura máxima pode chegar a bilhões de graus Celsius. Por que será que o calor parece não ter um limite máximo, enquanto o limite do frio não é tão grande?

Temperatura e termodinâmica

Em qualquer lugar do universo, a temperatura funciona do mesmo jeito: em toda parte, as moléculas estão em movimento constante e a velocidade delas é o que determina a temperatura do sistema. Quanto mais rápido esse movimento, mais a matéria aquece.

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Por outro lado, o frio é quando as moléculas de uma matéria perdem energia por meio de processos termodinâmicos. Essa perda de energia resulta na desaceleração do movimento das moléculas.

Um exemplo desses processos são as geladeiras domésticas. Nelas, existe um ciclo de troca de energias que começa com a conversão da eletricidade em trabalho e passa por uma série de trocas de calor com o ambiente externo e interno da geladeira.

Esses processos estão bem elucidados pelas 4 leis da termodinâmica, principalmente o primeiro deles: se a matéria A e matéria B estão em equilíbrio térmico com o objeto C, eles também estão em equilíbrio térmico entre si.

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No equilíbrio térmico, as moléculas mais agitadas — ou seja, mais quentes — de uma matéria sempre perderão energia (movimento) para transferi-la à matéria mais fria. É impossível que isso não aconteça quando estão em contato e elas sempre atingirão a mesma temperatura.

Zero absoluto

Quando algum tipo de matéria ou átomos de um elemento perdem o máximo de energia possível, as partículas ficam quase imóveis. Teoricamente, o zero absoluto é atingido quando não há mais movimento algum das partículas de alguma substância ou corpo.

A temperatura em Celsius que corresponde ao zero absoluto é -273,15 °C. Cientistas podem criar mecanismos para congelar uma matéria (para o funcionamento de um relógio atômico, por exemplo) até que suas partículas percam quase todo o movimento, mas até hoje não obtiveram o zero absoluto.

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Também é improvável que exista zero absoluto em qualquer lugar do universo. De acordo com os cientistas, o lugar mais frio do cosmos é a Nebulosa do Bumerangue, com -272 ºC — cerca de 1 ºC acima do zero absoluto.

Mas os cientistas já conseguiram superar esse recorde em um experimento de laboratório, atingindo um frio de apenas 38 trilionésimos de grau acima do zero absoluto. Claro, isso durou pouco tempo — apenas 2 segundos — antes de a matéria ganhar energia novamente com a interação do ambiente.

Assim, o zero absoluto é o estado em que a matéria perde toda a sua energia, ficando congelada ao nível quântico, sem movimento algum em suas partículas, sendo impossível atingir esse ponto.

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O calor máximo

Já para o calor parece não haver limite, ao menos não que os cientistas possam comprovar. A matéria sempre pode ficar mais e mais quente, vaporizando e transformando-se em plasma, o quarto estado da matéria.

Estrelas como o Sol têm temperaturas próximas dos 5.778 K (15 milhões de graus Celsius), mas há outros corpos celestes ainda mais extremos: as estrelas azuis, que podem ter cerca de 20.000K. Em um disco de acreção ao redor de um buraco negro, o plasma também pode atingir milhões de graus Celsius.

Então, qual é o limite? Ao contrário do zero absoluto, não há uma fronteira física teórica para o calor, o que pode ser frustrante para quem gosta de simetrias. O calor absoluto pode ser 10.000 vezes maior do que é obtido em colisores de partículas.

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Provavelmente, a maior temperatura que o universo já alcançou foi a do Big Bang. Embora seja difícil determinar quantos graus havia no início do espaço-tempo, podemos supor que toda aquela energia se perdeu no instante seguinte, possibilitando a formação das primeiras partículas.

Depois do Big Bang, o universo se expandiu e esfriou. Além disso, uma das leis da termodinâmica diz que é impossível criar mais energia “do nada” e não há fonte de energia além do Big Bang para aquecer qualquer coisa a temperaturas ainda maiores.

O único limite na física é encontrado na escala de Planck, um conjunto de unidades de medida que sinaliza onde a física como a conhecemos deixa de fazer sentido. Teoricamente, o primeiro estágio do universo foi um “tempo de Plank” (um número infinitesimal) após o Big Bang. Isso sugere que a temperatura inicial do universo após o Big Bang foi a “temperatura de Planck”: 100 bilhões de vezes mais quente que o já obtido em um acelerador de partículas.